Способ измерения поверхностного заряда проводящего тела Советский патент 1992 года по МПК G01R29/24 

Изобретение относится к области измерения электрических величин и может быть использовано в полупроводниковой, радиоэлектронной промышленности и в радиационной технике.

Известны способы измерения поверхностных зарядов, основанные на преобразовании постоянного сигнала в переменный с помощью вибрационного или вращающегося датчика.

Недостатком этих способов является значительная погрешность измерений за счет проявления контактной разности потенциалов в системе электрод - поверхность,

Наиболее близким к предлагаемому является способ, включающий индуцирование заряда, равного по величине измеряемому заряду, на индукторе с последующей передачей индуцированного заряда на извест-0 ную емкость.

Недостатками известного способа являются необходимость механического перемещения исследуемой заряженной поверхности и индуктора относительно друг друга; многократность индуцирования заряда и механического перемещения индуктора; погрешность измерений, возникающая за счет емкостной связи объекта с окружающими телами, контактной разности потенциалов и электрических потерь на щетках, электризации перемещаемых деталей в воздухе, утечек в окружающую среду с исследуемой поверхности и индуктора; необходимость измерения потенциала заряжаемой емкости и вычисления величины поверхностного заряда исследуемого тела; необходимость проведения измерений заряда в условиях вакуума и применения вакуVI

СЛ СО СЛ

4Q

Ю

умной камеры с довольно значительным разрежением мм рт.ст.; в случае измерения заряда на поверхности объекта, находящегося в трудно доступном месте или в условиях, опасных для здоровья человека, например в условиях радиационного облучения, для перемещения и установки исследуемого объекта в вакуумную камеру необходимо или применение специальных механизмов, или длительная выдержка для спада радиоактивности в районе расположения объекта до уровней, безопасных для здоровья; невозможность измерения поверхностного заряда на объектах сложной формы и больших габаритов; способ имеет узкую область применения.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение области применения способа.

Поставленная цель достигается тем, чго согласно способу измерения поверхностного заряда, включающему индуцирование заряда, равного по величине измеряемому заряду, на индукторе и последующую передачу индуцированного заряда на известную емкость, проводящее тело помещают в индуктор, выполненный в виде полой объемной камеры, непосредственно перед измерением индуктор кратковременно заземляют, а затем отсоединяют его от Земли и заземляют проводящее тело, многократно частями осуществляют передачу заряда индуктора на конденсатор известной емкости и по количеству порций заряда определяют заряд проводящего тела.

Способ осуществляют следующим образом.

Исследуемый объект (тело) любой формы, например самолет, помещают в индуктор, выполненный в виде полой проводящей камеры, имеющей любую классическую форму. Камера-индуктор изолирована от Земли, а исследуемый объект - от камеры путем их установки на непроводящих опорах. Исследуемый объект помещается в камеру уже заряженным или незаряженным, но подвергающимся зарядке после установки в камере с помощью устройства, имитирующего условия воздействия, создающего заряд на объекте. Воздействие может воспроизводиться через открытый проем, закрывающийся сдвижной крышкой, имеющей электрический контакт с корпусом камеры. После зарядки объекта крышка закрывается. На внутренней поверхности камеры индуцируется заряд, равный заряду исследуемого тела. В результате последовательных операций: заземления индуктора, отсоединения его от Земли и заземления объекта заряды объекта и индуктора будут

равны по величине, обратны по знаку и связаны между собой. Далее камеру-индуктор электрически соединяют с конденсатором известной емкости С, заряжают

конденсатор до уровня qi, регистрируют факт зарядки и разряжают конденсатор на Землю. Затем конденсатор опять соединяют с индуктором и заряжают, как указано ранее. Таким образом процесс зарядки и

разрядки конденсатора повторяют п раз до момента приближения заряда индуктора к нулю с заданной точностью, при этом регистрируют и считывают суммарное количество п порций зарядов, снятых с индуктора, и величину заряда q исследуемой поверхности, как результат произведения q qrn.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что

предлагаемый способ отличается от известного тем, что проводящее тело помешают в индуктор, выполненный в виде полой объемной камеры, непосредственно перед измерением индуктор кратковременно

заземляют, а затем отсоединяют его от Земли и заземляют проводящее тело, многократно частями осуществляют передачу заряда индуктора на конденсатор известной емкости и по количеству порций заряда

определяют заряд проводящего тела.

Известны технические решения, основанные на преобразовании постоянного сигнала в переменный с помощью вибрационного или вращающегося датчика.

Однако в известном способе не обеспечивается точность измерений и широкая область применения вследствие значительной погрешности за счет образования паразитных емкостей исследуемого объекта с окружающими его телами и проявления контактной разности потенциалов в системе электрод-поверхность, которые достигаются в предлагаемом техническом решении,

На чертеже показано устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит индуктор 1, выполненный в виде полой объемной камеры, в которую вводится исследуемый объект 2

любой формы и размеров, ключевые каскады 3-7, конденсатор 8, усилитель 9, дозирующее 10 и регистрирующее 11 устройства, кнопку 12 пуска.

Дозирующее устройство выполнено: из

задатчика порции ЗП, нуль-органов HOi и Н02, запоминающего устройства ЗУ и схемы разности Р. Камера 1 имеет крышку 13, закрывающую проем 14. Электрический контакт крышки с корпусом обеспечивается

тркопроводящей прокладкой 15. Диэлектрические опоры 16 и 17 исключают контакт камеры 1 с Землей и объекта 2 с камерой.

Индуктор 1 и объект 2 соединяется с Землей соответственно через ключевые каскады А и 3, управляющие входы которых соединены с кнопкой 12. Индуктор 1 через каскад 5 также соединен с первым выводом конденсатора 8, второй вывод которого через усилитель 9 соединен с первыми входами HOi и Н02 и ЗУ. Выход ЗУ подключен к одному входу схемы Р, к другому входу которой подсоединено ЗП. Выход Р соединен с вторым входом HOi, первый выход которого соединен с вторым входом ЗУ и одним управляющим входом каскада 5, а второй выход- с регистрирующим.устройством 11 и одним управляющим входом ключа 6. Вторые управляющие входы каскадов 5 и 6 соединены соответственно с первым и вторым входами Н02, второй выход которого заземлен. Ключ 7 входом подключен к входу усилителя, выходом заземлен. Управляющий вход ключа 7 подключен к вторым выходам HOi и Н02.

В исходном состоянии устройства, реализующего предлагаемый способ, ключи 3, 5, 6 и 7 разомкнуты, ключ 4 замкнут; информация в ЗУ сброшена; заранее задан и введен в ЗП и в схему Р потенциал.

При нажатии кнопки 12 ключ 4 размыкается, а ключи 3 и 5 замыкаются. Заряд с индуктора через каскад 5 поступает на конденсатор 8. Потенциал (ft со второго вывода конденсатора поступает на усилитель 9 и с него на ЗУ, HOi, H02. В начале зарядки конденсатора потенциал р принимает максимальное значение yWxc, а по мере зарядки уменьшается.

В первый момент ( через усилитель поступает в ЗУ, запоминается в нем и подается в схему разности Р, где из Рмакс вычитается Д, а разность величин поступает во второй вход HOi. По мере зарядки конденсатора 8 значение fi, прикладываемое к первому входу HOi, становится равным f (макс - ). В этом случае HOi срабатывает и выдает с одного выхода сигнал на размыкание ключа 5 и снятие информации с ЗУ, а с другого выхода - на замыкание ключа 6 и 7 и регистрацию порции зарядов конденсатора, равную qi C Uci, где Uci у макс- (рмакс- Ар) Дух Тогда gi О А р. Конденсатор 8 разряжается на Землю через ключи 6 и 7. В конце разрядки конденсатора потенциал его второго вывода, равный нескольким микровольтам, прикладывается через усилитель к одному входу НОг, где сравнивается с пороговым значением разности напряжений на входах, равным примерно 0,1 мВ. Н02 срабатывает и с его выходов идет сигнал на размыкание каскада 6 и 7 и замыкание кзскада 5. Процесс зарядки и разрядки конденсатора вновь повторяется. При каждом цикле зарядки становится по величине меньше, чем уэмакс в предыдущем случае, При уэмакс или А /1 процесс эарядки конденсатора прекращается.

Заряд исследуемого объекта будет равен q gi-n C A.n, где п - количество циклов зарядки конденсатора 8, регистрируемое устройством 11, Величина Накс

Ду входит в величину погрешности измерений.

При отборе каждой порци;- г рчаоз q i с индуктора согласно предлагаемому сг.осо- бу заряд исследуемой поверхности соог

ветственно уменьшается на эту величину,

при этом исключены паразитные1 емкости исследуемого объекта с окружающими телами. В процессе проведения измерений не требуется механического персмещения исследуемого объекта и индуктора, так как они остаются неподвижными, исключаются щеточные контакты, искрение, трение о воздух и электризация индуктора, уменьшаются потери зарядов с исслсдуемого объекта и индуктора, не требуется применения вакуумной камеры, измерения потенциала емкости и расчета исследуемого заряда по величине згогс потенциала. Измерение заряда можно

производить дистанционно, не перемещая исследуемого объекта после его зарядки, особенно, если он находится в тр/дно доступном месте или в месте с условиями. опасными для здоровья человека.

Предлагаемый способ позволяет значительно повысить точность измерения поверхностного заряда проводящего тела и расширить область применения способа. Усилитель з устройстве, реализующем предлагаемый способ, выбирается с различным коэффициентом усиления, с зависимости от величины заряда на объекте. Применяется импульсный усилитель тока (мощности), работающий о

режиме ключа, принципиально не имеющий дрейфа нуля. Для увеличения коэффициента усиления применяется составной усилитель. Емкость конденсатора 8 также выбирается в зависимости

от величины заряда объекта и должна быть не менее, чем на порядок величины меньше емкости объекта. Входное сопротивление и емкость усилителя примерно равны соответственно 105 Ом и Ф.

Среднее время разряда конденсатора 8 равно 0.17 с.

Схему усилителя можно выполнить так, что составные части (каскады) усиления могут включаться или выключаться в зависимо- сти от необходимости. Емкость конденсатора 8 может быть или сменной, или быть достаточно большой, чтобы изме: рять большие заряды на крупногабаритных объектах. При этом величина заряда кон- денсатора будет определяться задатчиком порции, который может быть выполнен так, что порция автоматически и дискретно может изменяться от большой величины до малой, что позволит быстро снять заряд с исследуемого объекта и с достаточной точностью.

В случае повторного облучения и измерения заряда на одном и том же объекте 2, остаточный заряд, равный Дрили меньший Ду, снимается с помощью заземляющей штанги или при замыкании ключей 3 и 4 при применении двухпозиционной кнопки управления 12 или многократном повторном нажатии кнопки 12.

Исследуемый объект вместе с индуктором представляет уединенную емкость, величина которой в каждом конкретном случае разная и зависит от геометрии исследуемого объекта и камеры-индуктора.

Формула изобретения

Способ измерения поверхностного заряда проводящего тела, включающий индуцирование заряда, равного по величине измеряемому заряду, на индукторе с последующей передачей индуцированного заряда на известную емкость, отличэющий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения области применения способа, проводящее тело помещают в индуктор, выполненный в виде полой объемной камеры, непосредственно перед измерением индуктор кратковременно заземляют, а затем заземляют проводящее тело, многократно осуществляют передачу заряда индуктора на конденсатор известной емкости и по количеству порций заряда определяют заряд проводящего телэ.

Использование: изобретение относится к способам измерения электрических величин и может быть использовано в полупроводниковой, радиоэлектронной промышленности и в радиационной технике. Сущность изобретения: проводящее тело помещают в индуктор, выполненный в виде полой объемной камеры, непосредственно перед измерением индуктор кратковременно заземляют, затем заземляют проводящее тело, многократно осуществляют передачу заряда индуктора на конденсатор известной емкости и по количеству порций заряда определяют заряд проводящего тела. При этом исключается погрешность измерений, возникающая за счет емкостной связи объекта с окружающими телами, контактной разности потенциалов, утечек в окружающую среду. 1 ил.

13

№

16