Устройство для измерения распределения поверхностного электрического потенциала Советский патент 1991 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится ;к технике электрических измерений и может быть использовано, например, для измерений контактной разности потенциалов.

Целью изобретения является повышение точности измерения поверхностного потенциала.

На чертеже показана структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные измерительный зонд 1, усилитель 2 переменного напряжения, дифференцирующий усилитель3, блок 4 формирования компенсирующего напряжения, включающий последовательно соединенные усилитель-ограничитель 5 и интегратор 6, к выходу которого подключены проводящая подложка 7 и блок 8 регистрации. Выход дифференцирующего усилителя 3 соединен с входом усилителя-ограничителя 9, выход которого, через последовательно соединенные интегрирующий усилитель 10 и двухполупериод- ный выпрямитель 11 подключен к входу компаратора 12, другой вход которого соединен с источником 13 опорного напряжения, а выход - с блоком 14 перемещения зонда.i

Устройство для измерения распределения поверхностного электрического потенциала работает следующим образом.

Исследуемый объект, например полупроводниковый слой, размещают на электропроводящей подложке 7. Измерительный зонд 1 осуществляет колебания, перпендикулярные к поверхности объекта.При колебаниях зонда 1 на усилитель 2 переменного напряжения поступают переменное напряжение, содержащее основную частоту со, и высшие гармоники. Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы входное сопротивление R усилителя 2 переменного напряжения и емкость слой - зонд С составляли дифференцирующук RC-цепь для основной частоты а, т.е. ад RC« 1.

Далее сигнал проходит дифференцирующий усилитель 3, на выходе которого появляется напряжение асимметричной формы, одна полярность которого меньше по амплитуде, но имеет большую продолжительность, а другая полярность больше по

амплитуде, но меньшей продолжительности. Амплитуда выходного напряжения пропорциональна разнице потенциалов слоя и зонда и обратно пропорциональна квадрату расстояния зонд - слой, Разность продолжительностей положительной и отрицательной полярностей зависит лишь от расстояния зонда - исследуемая поверхность.

Сигнал с выхода дифференцирующего усилителя 3 поступает на усилитель-ограничитель 5 и далее на интегратор 6. Усилитель-ограничитель 5 за счет нелинейности амплитудной характеристики позволяет получить постоянную составляющую в выходном напряжении при асимметричном

входном сигнале. Интегратор 6 соединен с подложкой 7 и блоком 8 регистрации. Из-за 100%-ной отрицательной обратной связи напряжение на выходе интегратора будет увеличиваться или уменьшаться до тех пор,

пока разница между потенциалами зонда и слоя не станет столь малой, что усилитель- ограничитель 5 перейдет в область линейного режима работы. При этом напряжение на выходе усилителя-ограничителя 5 не имеет

постоянной составляющей.Выходное напряжение интегратора 6 перестает изменяться и устанавливается равным потенциалу исследуемой поверхности.

Сигнал с выхода дифференцирующего

5 усилителя 3 поступает также на вход формирователя управляющего напряжения, состоящего из последовательно соединенных усилителя-ограничителя 9, интегрирующего усилителя 10 и двухполупериодного выпря0 мителя 11. Усилитель-ограничитель 9 должен иметь очень большой коэффициент передачи в линейном режиме, т.е. очень низкий уровень сигнала, при котором происходит ограничение, и тем он отличается от

5 усилителя-ограничителя 5. Интегрирующий усилитель 10 должен иметь небольшой коэффициент передачи, значительно меньший коэффициента передачи постоянного напряжения интегратора 6. При таком исполнении усилитель-ограничитель 9 выдает двухполярные импульсы равных амплитуд, причем длительность положительного импульса соответствует положительной части выходного напряжения дифференцирующего усилителя 3, а отрицательная - отрицательной. Интегрирующим усилителем 10 выделяется напряжение, пропорциональное разности длительностей импульсов. Двухполупериодный выпрямитель 11 служит для получения абсолютного значения выходного напряжения интегрирующего усилителя 10, полярность которого зависит от полярности поверхностного потенциала слоя относительно общей шины.

Таким образом, независимо от полярности измеряемого потенциала на выходе блока 11 имеется напряжение, обратно пропорциональное расстоянию зонда от слоя. Это напряжение сравнивается компаратором 12 с напряжением блока 13 опорного напряжения и блоком 14 перемещения зон- да в зависимости от результата сравнения приближает или удаляет зонд от исследуемой поверхности.

Благодаря указанному выполнению ус- тройства, помехи и наводки на частоте колебаний зонда не влияют на соотношение положительной и отрицательной частей периода поступающего на блок 9 напряжения, вследствие чего точность измерения распределения электрического потенциала повышается за счет более точного поддержания стабильным-расстояния между зондом и поверхностью.

Формула изобретения

1.Устройство для измерения распределения поверхностного электрического потенциала, содержащее выполненный в виде вибрирующего электрода измерительный зонд, механически связанный с блоком перемещения зонда, а электрически - с входом усилителя переменного напряжения, блок формирования компенсирующего напряжения, выход которого соединен с регистратором и электропроводящей подложкой, и компаратор, первый вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - с блоком перемещения зонда, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены усилитель-ограничитель, интегрирующий усилитель и дифференцирующий усилитель, вход которого подключен к выходу усилителя переменного напряжения, а выход - к входу блока формирования компенсирующего напряжения и через усилитель-ограничитель к интегрирующему усилителю, выход которого соединен с вторым входом компаратора.

2.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что блок формирования компенсирующего напряжения выполнен в виде последовательно соединенных усилителя- ограничителя и интегратора.

3.Устройство по пп.1 и 2, отлича ю- щ е е с я тем, что выход интегрирующего усилителя соединен с вторым входом компаратора через Двухполупериодный выпрямитель.

Изобретение относится к технике электрических измерений и может быть использовано, например, для измерений контактной разности потенциалов. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устройство содержит вибрирующий зонд 1, последовательно соединенные усилитель 2 переменного напряжения, дифференцирующий усилитель 3, блок 4 формирования компенсирующего сигнала, включающий усилитель-ограничитель 5 и интегратор 6, блок 8