Способ наблюдения изменений поверхностной плотности заряда и его среднего положения в плоских диэлектриках

Изобретение относится к электротехническим измерениям, предназначено для экспрессного наблюдения изменений поверхностной плотности реального (полного) заряда и его среднего положения в плоских диэлектриках в результате воздействия на поверхность образца, например, ультрафиолета, радиации, электронных или ионных пучков, температуры, механического воздействия и пр. и может быть использовано при диагностике электрического состояния поверхности различных диэлектрических материалов.

Способ основан на индуцировании тока в цепи динамического вибрационного конденсатора, между обкладками которого находится заряженный диэлектрик. Использование динамического конденсатора с вибрирующим электродом для измерения поверхностной плотности реального заряда σ_r и его среднего положения в плоских диэлектриках известно, например, рассмотрено в патентах RU 2231804 [1], 1769157 [2], 1688199 [3] и 1471152 [4]. Во всех этих методах требуется изменять положение образца в зазоре конденсатора и для различных положений проводить измерения тока динамического конденсатора, что ограничивает применение методов при экспрессных наблюдениях быстро протекающих процессов перераспределения заряда в диэлектриках.

Более близким по технической сущности к предлагаемому способу является патент RU 2156983 [5], в котором для экспрессного наблюдения изменений поверхностного потенциала металлов или полупроводников применяется амплитудная модуляция внешним модулирующим напряжением тока динамического конденсатора, образованного эталонным вибрационным электродом и исследуемым образцом. Об изменениях поверхностного потенциала судят по перемещению точки пересечения огибающих амплитудно-модулированного сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа. Однако этот метод предназначен только для измерений поверхностного электростатического потенциала металлов и полупроводников и неприменим для измерений электрических параметров диэлектриков.

Задача, решаемая данным изобретением, - экспрессное наблюдение изменений поверхностной плотности реального заряда σ_r и его среднего положения в плоских диэлектриках, вызванных различного рода внешними воздействиями.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения поверхностной плотности реального заряда и его среднего положения в плоских диэлектриках, основанном на возбуждении тока в цепи измерительного вибрационного конденсатора, в зазоре которого находится заряженный диэлектрик, согласно изобретению дополнительно используют вспомогательный вибрационный конденсатор, один из электродов которого механически жестко соединен с держателем образца, возбуждают механические колебания образца в направлении нормали к его поверхности с частотой не менее чем в 20-30 раз ниже частоты механических колебаний вибрационного электрода измерительного конденсатора, механические колебания образца преобразуют в электрическое напряжение, для чего на вспомогательный конденсатор подают постоянное напряжение, возникающий в цепи вспомогательного конденсатора ток интегрируют интегрирующим усилителем, напряжение с выхода которого подают на Х-вход осциллографа, а ток измерительного конденсатора преобразуют линейным усилителем в напряжение, которое подают на Y-вход осциллографа, при этом на экране осциллографа наблюдают амплитудно-модулированный сигнал, огибающие которого представляют две пересекающиеся прямые, регулируя постоянное напряжение на измерительном конденсаторе, добиваются такого напряжения U_к, при котором точка пересечения огибающих находится в центре экрана, исходную поверхностную плотность реального заряда определяют по формуле σ₀=ε₀U_к/l₀, где ε₀=8,85·10^-14 Ф/см - электрическая постоянная, l₀ - равновесное расстояние между образцом и неподвижным электродом измерительного конденсатора, и последующие относительные изменения поверхностной плотности реального заряда Δσ_отн, определяют по изменению наклона огибающих осциллограммы, а об изменении среднего положения заряда судят по перемещению точки пересечения огибающих, т.е.

и

где α₀ - угол наклона огибающих, соответствующий σ_r0, α - угол наклона огибающих, соответствующий новому значению плотности заряда σ_r, ε - относительная диэлектрическая проницаемость образца, b - амплитуда механических колебаний образца, Х₀ - исходное значение координаты точки пересечения огибающих на экране осциллографа, Х - новое положение точки пересечения огибающих в результате перераспределения заряда в образце, Х_m - максимальное отклонение луча на экране в горизонтальном направлении.

На фиг.1 приведена схема, реализующая способ. Исследуемый образец 1 расположен в зазоре измерительного динамического конденсатора, образованного неподвижным электродом 2 и вибрационным электродом 3. Вспомогательный динамический конденсатор образован неподвижным электродом 4 и вибрационным электродом 5. Держатель 6 образца механически жестко соединен с электродом 5. От двухполярного регулируемого источника 7 на измерительный конденсатор подается постоянное напряжение, которое измеряется вольтметром 8. На вспомогательный конденсатор подается постоянное напряжение от однополярного источника 9. Гармонические колебания электрода 3 возбуждаются вибратором 10, а гармонические колебания держателя 6, а следовательно, образца 1 и электрода 5 возбуждаются вибратором 11. Возникающий в цепи измерительного конденсатора ток усиливается линейным усилителем 12, напряжение с выхода которого подается на Y-вход вертикального отклонения луча осциллографа 13. Ток вспомогательного конденсатора интегрируется и преобразуется в напряжение интегрирующим усилителем 14, с выхода которого напряжение, пропорциональное перемещению образца, подается на Х-вход горизонтального отклонения луча осциллографа.

Рассмотрим суть предлагаемого изобретения. Если при возбуждении механических колебаний образца 1 частотой ω и вибрационного электрода 3 частотой Ω величина зазора между образцом и неподвижным электродом 2 изменяется, например, по закону l=l₀+bcos Ω, то при условии Ω≪ω в цепи измерительного конденсатора возникает амплитудно-модулированный ток I(t)=I_m(t)cosωt, амплитуда которого изменяется со временем [6].

где А - величина, зависящая от параметров измерительного динамического конденсатора и остающаяся в процессе измерений неизменной, ε - относительная диэлектрическая проницаемость образца, L - толщина образца, b - амплитуда механических колебаний образца 1, l₀ - равновесное расстояние между образцом 1 и неподвижным электродом 2, U - напряжение на измерительном конденсаторе, σ_r - поверхностная плотность реального заряда, σ_L - поверхностная плотность эффективного (формального) заряда, приведенного к поверхности образца x=L, обращенной к вибрационному электроду. Величина является средним положением одномерно распределенного в диэлектрике заряда [6].

Для преобразования механических колебаний образца в электрическое напряжение применен вспомогательный конденсатор, емкость которого изменяется со временем. При напряжении U₀ на конденсаторе и изменении зазора между электродами H=H₀+bcos' Ωt в цепи конденсатора возникает ток . В случае малых колебаний, когда b≪H₀,

где B=(ε₀S₁b ΩU₀)/H₀ ² - постоянная величина, определяемая параметрами вспомогательного конденсатора. S₁ - площадь его обкладок. Чтобы получить напряжение, пропорциональное перемещению образца bcos' Ωt, а не Bsin' Ωt, необходимо проинтегрировать (2). Для этого в цепь вспомогательного конденсатора включен интегрирующий усилитель, напряжение с выхода которого подается на Х-вход осциллографа, т.е.

Преобразованный усилителем 12 ток (1) измерительного конденсатора в напряжение подается на Y-вход осциллографа. Осциллограмма, отражающая зависимость I_m от положения образца в зазоре измерительного конденсатора, представляет амплитудно-модулированные колебания с линейно изменяющейся вдоль горизонтали амплитудой. Типичный вид осциллограммы показан на фиг.2. При чувствительности осциллографа по Х-входу δ=X/U_x=X_m/U_xm, где Х и Х_m - отклонение луча по горизонтали при напряжении U_x и U_xm соответственно, положение луча на экране осциллографа Y_m(X) с учетом (1) и (3) можно представить в виде линейной зависимости

где К - коэффициент преобразования, зависящий от постоянной А, коэффициента усиления усилителя 12 и чувствительности осциллографа. Огибающими амплитудно-модулированного сигнала будут две пересекающиеся прямые, наклон которых dY/dX=(Kεσ_r)/X_m определяется плотностью реального заряда σ_r, а точка пересечения огибающих зависит от среднего положения заряда в диэлектрике .

Возможности экспресс-метода проиллюстрируем на следующем примере.

1). Плоский незаряженный образец толщиной 1=2 мм, диэлектрической проницаемостью ε=3,8, помещен в зазор измерительного конденсатора при нулевом напряжении на его электродах на расстоянии l₀=0,1 см от неподвижного электрода и вибрирует, например, с амплитудой b=10 мкм (10^-3 см). Подставляя в (4) σ_r=0, σ_L=0, U=0, получим Y_m(X)=0. Осциллограмма, соответствующая этому случаю, показана на фиг.3а.

2). Предположим, что в результате односторонней, например, механической обработки на поверхности образца, обращенной к неподвижному электроду (х=0) образовался заряд плотностью σ_r0 и осциллограмма приняла вид фиг.3б.

3). Регулируя напряжение на измерительном конденсаторе, добьемся, чтобы при некотором напряжении, например, при U=U_к=60 В точка пересечения огибающих (фиг.3в) оказалась в центре экрана (Y_m=0 при Х=Х₀=0). Подставляя в (4) σ_L=0, Х=Х₀=0, Y_m=0, U=U_к, получим εl₀σ_r0-ε₀εU_к=0 и определим исходную плотность σ_r0=ε₀εU_к/l₀=(8,85·10^-14·3,8·60)/0,1≈2·10^-10 Кл·см^-2.

4). Предположим, что в результате воздействия на образец, например, ультрафиолетом заряд на поверхности х=0 изменился и осциллограмма приняла вид фиг.3г. Из изменения наклона огибающих следует, что плотность заряда σ_r увеличилась вдвое, т.е. σ_{r отн}=σ_r/σ_r0=tgα/tgα₀≈2 или σ_r≈4·10^-10 Кл·см^-2, где tgα₀ - наклон огибающих до воздействия на образец ультрафиолетом, tgα - после воздействия.

5). Допустим, что в результате, например, нагревания образца исходный заряд σ_r0 не изменился, а перемещение точки пересечения огибающих (фиг.3д) на величину ΔХ=Х-Х₀ произошло в результате изменения среднего положения заряда и образования эффективного заряда плотностью σ_L. Подставляя в (4) Y_m=0, εl₀σ_r0-ε₀εU_к=0, X=ΔX+Х₀, Х₀=0 и , получим . Из осциллограммы на фиг.3д следует, что при X_m=4 деления сетки экрана и ΔX=3 деления среднее положение заряда переместилось на см, что можно объяснить, например, диффузией заряда.

6). При одновременном изменении заряда σ_r и его среднего положения будут изменяться наклон и положение точки пересечения огибающих. Осциллограмма на фиг.3е соответствует случаю, когда с увеличением величины σ_r одновременно происходит перемещение среднего положения заряда в глубь образца.

Следует отметить, что метод эффективен при одностороннем заряжении поверхности диэлектрика. Это связано с тем, что при двухстороннем заряжении плоского диэлектрика, например зарядами противоположной полярности, среднее положение заряда может находиться далеко за пределами образца. В частности, в случае равенства разноименных зарядов по величине [6].

Литература

1. Алейников Н.М., Алейников А.Н. Способ измерения параметров остаточного заряжения плоских диэлектриков. Патент RU 2231804, 27.06.2004, G 01 R 29/12.

2. Алейников Н.М. Способ определения среднего положения заряда в диэлектриках. Патент SU 1769157, 15.10.1992, G 01 R 29/12.

3. Алейников Н.М. Способ определения среднего положения остаточного заряда диэлектриков. Патент SU 1688199, 30.10.1991, G 01 R 29/12.

4. Алейников Н.М. Способ определения плотности заряда в диэлектриках. Патент SU 1471152, 07.04.89, G 01 R 29/12.

5. Алейников Н.М., Алейников А.Н. Способ измерения изменений поверхностного потенциала. Патент RU 2156983, 27.09.2000, G 01 R 29/14. [прототип].

6. Алейников А.Н., Алейников Н.М. Индукционные методы определения параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов, "Материаловедение". - М., Наука и технологии, №3, с.26-33, 2002.

Способ наблюдения изменений поверхностной плотности реального заряда и его среднего положения в плоских диэлектриках, основанный на возбуждении тока в цепи измерительного вибрационного конденсатора, один из электродов которого вибрирует и в зазоре которого находится заряженный диэлектрик, отличающийся тем, что дополнительно используют вспомогательный вибрационный конденсатор, один из электродов которого механически жестко соединен с держателем образца, возбуждают механические колебания образца в направлении нормали к его поверхности с частотой не менее чем в 20-30 раз ниже частоты механических колебаний вибрационного электрода измерительного конденсатора, механические колебания образца преобразуют в электрическое напряжение, для чего на вспомогательный конденсатор подают постоянное напряжение, возникающий в цепи вспомогательного конденсатора ток интегрируют интегрирующим усилителем, напряжение с выхода которого подают на Х-вход осциллографа, а ток измерительного конденсатора преобразуют линейным усилителем в напряжение, которое подают на Y-вход осциллографа, при этом на экране осциллографа наблюдают амплитудно-модулированный сигнал, огибающие которого представляют две пересекающиеся прямые, регулируя постоянное напряжение на измерительном конденсаторе, добиваются такого напряжения U_к, при котором точка пересечения огибающих находится в центре экрана, исходную поверхностную плотность реального заряда определяют по формуле σ_r0=ε₀U_к/l₀, где ε₀=8,85·10^-14 Ф/см - электрическая постоянная, l₀ - равновесное расстояние между образцом и неподвижным электродом измерительного конденсатора, и последующие относительные изменения поверхностной плотности реального заряда Δσ_отн определяют по изменению наклона огибающих осциллограммы, а об изменении среднего положения заряда судят по перемещению точки пересечения огибающих, т.е.

и

где α₀ - угол наклона огибающих, соответствующий σ_r0; α - угол наклона огибающих, соответствующий новому значению плотности заряда σ_r; ε - относительная диэлектрическая проницаемость образца; b - амплитуда механических колебаний образца; Х₀ - исходное значение координаты точки пересечения огибающих на экране осциллографа; Х - новое положение точки пересечения огибающих в результате перераспределения заряда в образце; Х_m - максимальное отклонение луча на экране в горизонтальном направлении.