Измерительное устройство Советский патент 1987 года по МПК G01N27/70 

Изобретение относится к усгройст- вам для измерения параметров плазмы, в частности для определения ионного тока насыщения и температуры электронов при диагностике и принятии решений в процессах управления низкотемпературной плазмой, и может быть использовано для контроля технологических процессов при производстве интегральных схем, а также в экспериментальной физике для проведения экспериментов с низкотемпературной плазмой.

Цель изобретения - расширение класса решаемых задач за счет определения ионного тока насыщения и температуры электронов плазмы.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор 1 линейно изменяющегося напряжения, первый 2 и второй 3 диоды, первьй 4 и второй 5 резисторы, первый дифЛе- ренциальньп усилитель 6, третий диф- ферен1Х 1альный усилитель 7, второй дифференциальный усилитель 8, первый блок 9 памяти, вычислитель 10 температуры электронов плазмы, содержащий блок 11 логарифмирования, блок 12 дифференцирования и блок 13 масштабирования .

Кроме того, устройство содержит второй блок 14 памяти, первый 15 и второй 16 двухпороговые компараторы, входы задания первого и второго порогов которых подключаются через соответствующие входы задания режима измерения устройства к источникам 17-20 опорного напряжения.

Информационный вход устройства подключается к электрическому зонду 21 . Выходы значений ионного тока насыщения плазмы и температуры электронов плазмы устройства могут подключаться к устройству 22 регистрации.

В основе измерений лежит известный метод. На первом этапе снимается зондов 1я вольт-амперная характеристика плазмы с помощью измерительных приборов. Для этого между зондом и опорным электродом вводят некоторую разность потенциалов, величину и полярность которой можно изменять регулирующим источником, состоящим из источника .напряжения и реостата.

Измерения начинают с фиксации и последующе1 0 запоминания величины

ионного тика насыщения 1 . Затем из полного тока зонда Iр вычитают измеренную величину I. и получают значения электронного тока плазмы Ig, как функции разности потенциалов между зондом и опорным электродом. После этого производят построение в логарифмическом масштабе графика I, f(U), где и - разность потенциалов между зондом и опорным электродом. Наклон кривой этого графика в области VP : О определяется уравнениями и V. + V,

е

SP

т

р

.eVp. ро ехр().

1п1,„,

0

5

0

5

где V

разность потенциалов между опорным электродом и слоем пространственного заряда; потенциал поверхности зонда по отношению к границе слоя пространственного заряда;

электронный ток насьш1ения плазмы;

электронный ток; постоянная Больцмана; заряд электрона; температура электронов, Если электроны имеют максвеллов- ское распределение, то наклон постоянен и дает величину температуры электронов плазмы

SP

У„ IEO

IE k

е

TO

dlnl dlnle e dU

Т

8

Vp.O;

T. b

dlnlf

40

45

50

Устройство работает следующим образом.

Линейно изменяющийся сигнал от генератора 1 через первый 2 и второй 3 диоды, первый 4 и второй 5 резисторы подключается к электрическому зонду 21. На первом 2 и втором 3 диодах происходит разделение полного тока и его ионной составляющей, а вьщеленные на первом 4 и втором 5 резисторах сигналы, пропорциональные соответственно ионному току насыщения плазмы и результирующему току электрического зонда 21, поступают 55 на второй 8 и первый 6 дифференциальные усилители. С выхода второго дифференциального усилителя 8 сигнал, соответствующий ионному току насьщ1ения плазмы, поступает на ин313433

форманионный пход блока 9 памяти. Работой блока 9 управляет двухпорого- вый компаратор 15, который в н жиый момент вырабатывает т1равляюший импульс, подаваемый на вход выборки 5 блока 9, где происходит фиксация значения аналоговой величины. Для фиксации в блоке 9 значения, соответств :п щего значению ионного тока насьш1е 1йя плазмы, необходимо настроить источ- й НИКИ 17 и 18 так15М образом, чтобы

0 и ;-, 7 и,р , и„ (- J U---II

где 0,7 и и.

г

- накряжсния на источниках 17 и 18 опорного напряжения соответ сть.чно i

dU - ьеличинл, определяю- ля пп тсльность уп- рсш.чпющего импульса.

Момент ф1тк :а,.,ич параметра, соот- ветствую пого ионному току насыщения, в блоке 9 памяти необходимо выбирать при досттгкении линейно изменяющимся сигналом, вырабатываемым генератором 1 , своего миним а.Аналогично работает двухпороговый компаратор 16.

Настройка источников I9 и 20 оперного напряжения производится таким образом, чтобы

О U,g и,,, и„ + .,j, , где U,g и и - напряжения на источниках 19 и 20 соответственно;

dU - величина, определяю- щая длительность управляющего импульса.

Момент фиксации параметра, соответствующего температуре электронов плазмы, необходимо выбирать при достижении линейно изменяющимся сигналом, вырабатываемым генератором 1 ,

нулевого значения. С выхода блока 9 памяти сигнал поступает на неинвер- тирующий вход третьего дифференциального усилителя 7 и на первый вход устройства 22 регистрации. На инвертирующий вход третьего дифференциального усилителя 7 поступает сигнал с выхода первого дифференциального усилителя 6, соответствующий полному току зонда 21. Разностный сигнал с выхода третьего дифференциального усилителя 7, определяющий величину элек тронного тока плазмы, поступает на вход блока 11 логарифмирования, где производится вычисление функции электронного тока в логарифмическом мас34

1чгаб1. t гыхода блока 1 логарифми- ;)о:тания сигнал поступает на вход блока 12 дифференцирования, где вычисляется дифференциал функции логарифма электронного тока по потенциалу по- рерхности зонда по отношению к Гранине пространственного заряда V. С выхода блока 12 дифференцирования сигнал на блок 13 масщтаби- рования, в котором производится умножение сигнала на 1 сл гчину k/e, где k - постоя}{ная Бопьнмана, е - заряд ч тсктрона.

После блока 13 сигнал пост тгает на инфopм циoнныi вход блока 14 памя- т ь, ,p (|)Т1ксируется значение темпера электроно плачьъ п момент вре- .-ii, riis логда гигнейно изменяюацшся си1- ры;.а5атырр генератором 1, достигает нуленогс значения. С выхоiii ,,;ока 14 памяти сигнал поступает i:a iviopo вход устройства 22. обря о , на устройстве 22 могут отоб- priK;: i дне- нел . лгины; ионный ток на- г .рп. и TCMiit riaT yps электронов

1- /J ;мы.

i р м у л а и : j о сретения ()1тгеп л се устрокстзо „ содерЖ-иЮС ,:: ДИффop ; HUИaJ ЬHЬГЙ УСИЛИ

ii.j два блока Пс мяти и генератор л.-.ейно изменг1Ю1дегсгя напряжен1-1Я, 1 л и ч а ю m с е с я тем, что, с ц :Л1:;..1 рстспиррния класса решаемых з,:; ач за счет опрецеления ионного ока }{ас;-Г1(ения i. температуры электро- ): ./: апазмы, в него введены два двух 1к 1 ОГ вс х компаратора, второй и тре- 1Г11 диффереициалт,iffrie усилители, два ренистора, два диода и вычислитель тег- пературь; элек ронов плазмы, выход геиераторэ лчнейрю изм - няют,егося напряжения подктп-очеи к :нформационным входам первого и второго двухпорого- вых ко параторсь, к катоду первого диода и к ано/;у ivroporo диода, анод первого и катоп пторого диодов под- ключег:ы к инвег тпр-.т.тцм входам второго и гюрзого диффг-ренциальных усилителей соотяптс; it ино и через вьш и po:-:HC iri;,bi - соответст- венно к икформ,,чом, входу устройства и к неичБертирую ци( входам первого и в 1 орого дя фррйнпиальных усилителей, тзыходы хото,ьгх соединены с инвертирующий входом третьего дифференциального v ;л -:тр. i4 и с HHdsop513433386

мационным входом первого блока памя-рого блока памяти, выход которого

ти соответственно, выход которогоявляется выходом значения температуявляется выходом значения ионного то-ры электронов плазмы устройства, вхока насыщения плазмы устройствами сое-ды выборки первого и второго блоков

динен с неинвертирующим входом треть- 5памяти подключены к выходам первого

его дифференциального усилителя,вы-и второго двухпороговых компараторов

ход которого соединен с информацион-соответственно, входы задания первоным входом вычислителя температурыго и второго порогов которых являютэлектронов плазмы, выход которогося входами задания режима измерения

соединен с инЛормационным входом вто- Оустройства.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет автоматизировать измерение ионного тока насыщения и температуры электронов плазмы. Линейно изменяющийся сигнал от генератора 1 линейно изменяющегося напряжения подается на электрический зонд 21. Дифференщ1альные усилители 6 и 8 вьщают сигналы, пропорционапь- ные ионному и результирующему токам плазмы, дифференциальный усилитель 7 вырабатьшает сигнал, пропорциональный электронному току плазмы, далее этот сигнал логарифмируется (блок 10) , дифференцируется (блок 11), масштабируется (блок I2) и передается на устройство 22 регистрации, где отображаются две величины: ионньш ток насыщения и температура электронов плазмы, 1 ил. с Ф (Л с: DO 4 00 СО 00 00