ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЙ ЗОНДОВЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЛОЕВ НА ПРОВОДЯЩЕЙ ПОДЛОЖКЕ Российский патент 2005 года по МПК G01R29/24 

Изобретение относится к средствам определения электрофизических параметров диэлектрических, высокоомных композиционных слоев на проводящей подложке, а также к способам измерения плотности электростатического заряда материалов.

Известен способ неразрушающего контроля, заключающийся в наложении зонда, на контролируемую поверхность материала с последующим измерением в его цепи индуцированного заряда (напряжения) при возбуждении поля с помощью проводящей подложки и генератора переменного напряжения (М.: Высшая школа, 1992, под редакцией В.В.Сухорукова. 5 книга 312 с., 3 книга 37 с.).

Недостатком является кортактность, что может повредить слой. Определяется комплексная диэлектрическая проницаемость только при высоких значениях потерь. Данный способ не позволяет сканировать поверхность исследуемого материала.

Известен также зондовый способ определения электрофизических параметров материалов, заключающийся в том, что в процессе измерений зонд располагается на некотором расстоянии от поверхности исследуемого материала. В этом случае электрическое поле в системе также возбуждается с помощью подложки и генератора переменного напряжения, а индуцированный заряд (напряжение) измеряются в цепи зонда (см. Матис И.Г. Электоремкостные преобразователи для неразрушающего контроля. Рига.: 3инатые, 1982. - 302 с.).

Однако при конечном значении расстояния от зонда до исследуемой поверхности исключается возможность определения проводимости слоя, поскольку удельное сопротивление между зондом и поверхностью слоя на несколько порядков больше удельного сопротивления этого слоя 10¹⁵-10¹⁶ Ом/м.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ, заключающийся в том, что на поверхность стоя наносят электростатический заряд, например в поле коронного разряда, затем измеряют с помощью зонда путем сканирования при заземленной подложке его распределение по поверхности в разные моменты времени (см. Ю.Д.Арсентьев, В.А.Марцинкявичус, В.П.Пронин и др. //Дефектоскопия, 1981, №5, с.79-84).

Недостатком этого способа является невозможность определения диэлектрической проницаемости, т.к. определяется только удельная проводимость (сопротивление) слоя и не учитывается влияние его соседних областей.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей данного способа - определение, кроме удельного сопротивления (проводимости) слоя, также его диэлектрической проницаемости.

Поставленная задача решается тем, что в электроемкостном зондовом способе определения электрофизических параметров слоев на проводящей подложке, включающем формирование на поверхности слоя электростатического заряда, измерение его плотности в разные моменты времени, согласно решению заряд создают в локальной области (порядка 1 мм²) слоя известной толщины Н, измеряют величины электростатического заряда q₁ и q₂ при двух известных расстояниях до поверхности слоя h₁ и h₂, причем на одном из этих расстояний измерения поводят в два разных момента времени t₁ и t₂, а относительную диэлектрическую проницаемость слоя ε и его проводимость γ вычисляют из соотношений:

ε =H· Δ q/q₁·_h1-q2·h2,

γ =(ε · ε ₀/Δ t)· ln(q₁/q₂)=(H· Δ q· ε ₀)/Δ t· (q₁·_{h1-q2·h2)· ln(q1/q2),}

где Δ q=q₁-q₂,

Δ t=t₂-t₁,

ε ₀=8.85· 10^-12 Ф/м.

Способ осуществляется следующим образом. Наносят заряд, например, в поле коронного заряда с острия, радиус закругления которого 20-50 мкм, расположенного на расстоянии 0.5-1 мм от слоя. Область нанесения заряда лежит в пределах 0.5-2 мм². На определенном расстоянии h₁ порядка 0.5-1 мм сканируют слой зондом и измеряют максимальную величину индуцированного на зонде заряда q₁. Затем на этом же расстоянии измеряют величину заряда q₂ в другой момент времени, такой, чтобы величина Δ q была уверенно измеряемой. Для этого разность времен измерений Δ t=t₂-t₁ должна быть значительно меньше времени релаксации заряда на слое. Далее перемещают зонд на другое расстояние h₂ порядка соответственно 1-1.5 мм и измеряют величину индуцированного на зонде заряда q₂ в момент времени, близкий к t₂, что обеспечивается относительно быстрым переходом с одного расстояния на другое (время перехода 0.1-10 с в зависимости от времени релаксации заряда.) Возможна реализация способа, когда на расстоянии h₁ измеряют распределение заряда в один момент времени, затем переходят на второй уровень и измерения проводят в два момента времени. Затем по указанным выше соотношениям определяют искомые параметры.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам определения электрофизических параметров диэлектрических композиционных слоев на проводящей подложке, а также к способам измерения плотности электростатического заряда материалов. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата осуществляют формирование на поверхности слоя электростатического заряда, измерение его плотности в разные моменты времени. При этом формирование заряда осуществляют в локальной области слоя известной толщины, измеряют величину электростатического заряда q₁ и q₂ при двух известных расстояниях до поверхности слоя h₁ и h₂, причем на одном из этих расстояний измерения поводят в различные моменты времени, а относительную диэлектрическую проницаемость слоя ε и его проводимость γ определяют расчетным путем.

Электроемкостный зондовый способ определения электрофизических параметров слоев на проводящей подложке, включающий формирование на поверхности слоя электростатического заряда, измерение его плотности в разные моменты времени, отличающийся тем, что заряд создают в локальной области слоя известной толщины Н, измеряют величину электростатического заряда q₁ и q₂ при двух известных расстояниях до поверхности слоя h₁ и h₂, причем на одном из этих расстояний измерения проводят в два разных момента времени t₁ и t₂, а относительную диэлектрическую проницаемость слоя ε и его проводимость γ вычисляют из соотношений

ε =H· Δ q/q₁·_h1-q2·h2,

γ =(ε · ε ₀/Δ t)· ln(q₁/q₂)=(H· Δ q· ε ₀)/Δ t· (q₁·_{h1-q2·h2)· ln(q1/q2),}

где Δ q=q₁-q₂,

Δ t=t₂-t₁,

ε ₀=8,85· 10^-12 Ф/м.