Пристрій для вимірювання розподілу поверхневого електричного потенціалу

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано, например, для измерений контактной разности потенциалов металлов и полупроводников, а также поверхностного потенциала тонких диэлектриков на металлах. Наиболее близким к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является устройство для измерения распределения поверхностного электрического потенциала, которое содержит вибрирующий зонд, последовательно соединенные усилитель переменного напряжения, дифференцирующий усилитель, блок формирования компенсирующего сигнала, включающий усилитель-ограничитель и интегратор, блок регистрации. В устройстве на выходе первого дифференцирующего усилителя появляется напряжение асимметричной формы за счет величины вибраций, сравнимой с расстоянием зонд - исследуемый объект. Амплитуда выходного сигнала этого усилителя пропорциональна поверхностному потенциалу исследуемого объекта и обратно пропорциональна квадрату расстояния зонд исследуемый объект. Нестабильность этого расстояния вносит погрешность в измерения потенциала. Поэтому предусмотрена система стабилизации расстояния зонд - исследуемый объект. При работе устройства на выходе дифференцирующего усилителя формируется переменное напряжение, соотношение длительностей положительной и отрицательной частей периода которого определяется лишь расстоянием между зондом и исследуемой поверхностью. С помощью усилителя-ограничителя, интегрирующего усилителя, двухполупериодного выпрямителя, компаратора и источника опорного напряжения формируется напряжение, управляющее блоком перемещения зонда, который поддерживает расстояние между зондом и поверхностью исследуемого объекта, расположенного на проводящей подложке, постоянным. Недостатком этого устройства является ограниченная чувствительность, связанная с двукратным применением входного фильтра высоких частот; погрешность, измерений за счет трансформированной наводки на частоте возбуждения на измерительный зонд при амплитуде колебаний, сравнимой с величиной зазора зонд - исследуемый объект; погрешность измерений, связанная с влиянием диэлектрических свойств и толщины исследуемого объекта на величину зазора между нижним крайним положением зонда и поверхностью объекта измерений. В основу изобретения поставлена задача обеспечить повышение точности измерений и чувствительности, что позволяет обнаружить низкую концентрацию поверхностных дефектов исследуемого объекта. Решение задачи достигается тем, что в устройстве для измерения распределения поверхностного электрического потенциала, содержащем измерительный зонд с системой возбуждения, соединенной с усилителем мощности и через неинвертирующий усилитель с дифференцирующим усилителем, и блок регистрации, согласно изобретению, введены цифровой фазовращатель, соединенный входом с генератором тактовых импульсов и через отрицательную обратную связь с синхронным детектором, который входом соединен с дифференцирующим усилителем, а выходом - с аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен с линейным аппроксиматором, соединенный выходами соответственно с входами блока регистрации и цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со входом неинвертирующего усилителя, а генератор тактовых импульсов, делитель частоты и усилитель мощности соединены последовательно. Совокупность существенных признаков заявляемого устройства позволяет улучшить выходную характеристику синхронного детектора за счет влияния выходного напряжения его управляющего канала на фазу опорного напряжения посредством изменения моментов запуска ждущего мультивибратора цифрового фазовращателя, что повышает чувствительность заявляемого устройства. Возможность разнести по частоте наводку от системы возбуждения колебаний зонда и входного сигнала синхронного детектора за счет подачи в катушку возбуждения меандров вдвое меньшей частоты, чем частота полезного сигнала обеспечивает повышение точности измерений. Подача в систему возбуждения импульса в форме меандров, что за счет быстрого перепада фронтов увеличивает вынуждающую силу и соответственно амплитуду колебаний зонда, также повышает чувствительность устройства. Использование импульсного опорного напряжения в синхронном детекторе за счет крутизны фронтов позволяет улучшить добротность синхронного детектора, увеличить отношение сигнал-шум и тем самым улучшить точность измерений. Введение в устройство линейного аппроксиматора позволяет вычислять значение поверхностного потенциала объекта по нескольким измеренным величинам полезного сигнала, которые входят в результирующую формулу в виде отношения линейных многочленов. Это исключает влияние на измерения таких параметров, как толщина диэлектрического объекта, его диэлектрическая проницаемость, которые одинаковым образом изменяют все измеренные в одном цикле значения полезного сигнала. В конечном итоге вычисленное значение поверхностного потенциала объекта не зависит от толщины объекта измерений и его диэлектрических свойств, что повышает точность измерений. На чертеже (фиг.) представлена функциональная схема заявляемого устройства. Устройство содержит экранированный блок 1, включающий измерительный зонд 2 с системой 3 возбуждения, неинвертирующий усилитель 4. Устройство содержит также дифференцирующий усилитель 5, цифровой фазовращатель 6, синхронный детектор 7 с фильтром низких частот (на чертеже не показан), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, линейный аппроксиматор 9, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 10, блок 11 регистрации, генератор 12 тактовых импульсов, делитель 13 частоты, усилитель 14 мощности, проводящую подложку 15, на которой расположен объект измерения. Экранированный блок 1 выполнен выносным. При этом система 3 возбуждения соединена с усилителем 14 мощности и последовательно соединенными делителем 13 и генератором тактовых импульсов 12. Зонд 2 соединен с неинвертирующим 4 и дифференцирующим 5 усилителями. Цифровой фазовращатель 6 соединен с генератором 12 тактовых импульсов через отрицательную обратную связь - с синхронным детектором 7. Синхронный детектор 7 своим входом соединен с дифференцирующим усилителем 5, а выходом с аналого-цифровым преобразователем 8, который соединен с линейным аппроксиматором 9, который соединен с блоком 11 регистрации и цифроаналоговым преобразователем 10, подключенным своим выходом ко входу неинвертирующего усилителя 4. Неинвертирующий усилитель 4 и дифференцирующий усилитель 5 представляют собой операционные усилители К14ОУД8, в которых сигналы подаются соответственно на неинвертирующий вход непосредственно и на инвертирующий вход через раздели-тельную емкость. Фазовращатель 6 представляет собой ждущий мультивибратор на базе К155ЛАЗ, функцию переменного резистора в котором выполняет переход эмиттер-коллектор КТ315. Выходные импульсы фазовращателя 6 сдвинуты по фазе на цепочкой из элемента ИНЕ и двух триггеров на базе К155ТМ2. Синхронный детектор 7 выполнен на базе операционного усилителя К 14ОУД8. Развязка выходных сигналов от коммутаторов осуществляется двумя микросхемами К1401УД1. Коммутация сигналов по двум выходам осуществляется двумя аналоговыми коммутаторами КР590КН6. Сигналы с выходов синхронного детектора 7 сдвинуты по фазе на На выходе каждого из каналов синхронного детектора 7 поставлен низкочастотный фильтр (на чертеже не показан). Аналого-цифровой преобразователь 8 представляет собой микросхему К1113ПВ1. Линейный аппроксиматор 9 выполнен на основе микропроцессорного комплекта КР580. Цифроаналоговый преобразователь 10 выполнен на микросхеме К594ПА1. Блок 11 регистрации выполнен в виде оперативного запоминающего устройства на базе КР537РУ10, управляемого центральным микропроцессорным устройством. Индикация информации оперативной памяти осуществляется посредством двух микросхем 555ИД7 на индикаторах ИН-12 и ИН-15. Генератор 12 тактовых импульсов выполнен на микросхеме К155ЛАЗ со стабилизацией режима колебаний за счет глубокой отрицательной обратной связи. Делитель 13 частоты выполнен на двоичном счетчике К133ИК7. Усилитель 14 мощности представляет собой мощный компаратор на базе К157УД1. Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор 12 тактовых импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы, частота которых уменьшается в два раза в делителе 13 частоты. В усилителе 14 мощности указанные импульсы превращаются в меандры, которые возбуждают колебания магнитного поля в катушке индуктивности системы 3 возбуждения. Колебания магнитного поля приводят в движение упругую полосковидную диафрагму с ферромагнитным пятачком посередине, к которому через диэлектрик крепится измерительный зонд 2. Зонд 2 и проводящая подложка 15, на которой может находиться тонкий диэлектрический объект, образуют измерительную емкость. Колебания диафрагмы возбуждаются меандрами. При этом за счет резкого во времени перепада магнитного поля преобладающим оказывается взаимодействие наведенного момента (частота его изменения будет совпадать с частотой поля) с возбуждающим магнитным полем. В результате вынуждающая колебание диафрагмы сила имеет частоту в 2 раза выше частоты магнитного поля. Поскольку зонд 2 жестко связан с колеблющимся магнитным пятачком, то он будет вибрировать с частотой вынуждающей силы в два раза выше частоты магнитного поля. Частота следования импульсов с генератора 12 тактовых импульсов делится делителем 13 частоты пополам. В результате частота вибрации зонда 2 будет совпадать с частотой генератора 12 тактовых импульсов и превышать в 2 раза частоту возбуждающих меандров после усилителя 14 мощности. Колебания зонда 2 и различия в потенциалах зонда 2 и подложки 15 приводят к появлению сигнала Uвх на входе неинвертирующего усилителя 4. Неинвертирующий усилитель 4 имеет активный характер входного сопротивления. Это повышает чувствительность устройства, в котором подложка 15 (образец) заземлена, а компенсирующий потенциал подается также относительно общего заземленного провода. Чтобы выделить переменную часть сигнала, с выхода неинвертирующего усилителя 4 сигнал подается в дифференцирующий усилитель 5. После второго каскада усиление в дифференцирующем усилителе 5 сигнал подается на сигнальный вход синхронного детектора 7, на опорный вход которого через фазовращатель 6 поступает частота генератора 12 тактовых импульсов. На выходе синхронного детектора 7 поставлен фильтр низких частот, поэтому детектор пропускает только сигналы, совпадающие по частоте с напряжением генератора 12 тактовых импульсов и обрезает все остальные гармоники. Синхронный детектор 7 имеет два выхода. Из одного из них сигнал уходит на АЦП8, а второй соединен отрицательной обратной связью с фазовращателем 6. Фаза напряжения на второй выходе синхронного детектора 7 сдвинута относительно фазы на первом его выходе на При нормальной работе устройства средняя величина сигнала на этом выходе равна "0". При изменении фазы сигнала за счет диэлектрических свойств объекта и его толщины в пределах полярность сигнала на указанном выходе синхронного детектора 7 будет либо положительной, либо отрицательной. Поскольку синхронный детектор 7 через указанный выход связан отрицательной обратной связью с фазовращателем 6, то изменение фазы сигнала на выходе синхронного детектора 7 приведет к тому, что фазовращатель 6 соответствующим образом изменит фазу опорного напряжения так, чтобы разность фаз между опорным напряжением и входным сигналом синхронного детектора 7 равнялась либо "0", либо Это повышает амплитуду сигнала на входе АЦП8, увеличивая таким образом точность и чувствительность устройства. На выходе АЦП8 образуется цифровой код полезного сигнала, который поступает на обработку в линейный аппроксиматор 9. Среднее значение входного напряжения АЦП8 линейным образом связано с потенциалом поверхности измеряемого объекта и компенсирующим потенциалом В линейном аппроксиматоре 9 происходит вычисление таким образом, что величина не зависит от емкости зонд - подложка. Один из цифровых выходов линейного аппроксиматора 9 подключен ко входу ЦАП 10, выход которого используется в качестве компенсирующего напряжения и связан со входом неинвертирующего усилителя и зондом таким образом, чтобы компенсировался переменный сигнал от потенциала измеряемого объекта. Второй цифровой выход линейного аппроксиматора 9 соединен со входом блока 11 регистрации, в котором запоминается и индицируется на цифровом табло код вычисленного значения Линейный аппроксиматор 9 выдает несколько различных кодов и запоминает их вместе с соответствующими кодами где - номер измерения. Величина для данного устройства достигала значения Восемь пар данных за время ~100мс обрабатывается методом наименьших квадратов линейным аппроксиматором 9 по линейной зависимости, в результате чего вычисляется значение Результат измерений в заявляемом устройстве-не зависит от толщины диэлектрического объекта и от его диэлектрических свойств, что повышает точность измерений. Опорный сигнал поступает на вход синхронного детектора 7 через фазовращатель 6 с выхода генератора 12 тактовых импульсов, который параллельно подключен также через делитель 13 частоты к усилителю 14 мощности. Таким образом, частота опорного напряжения, подаваемого на синхронный детектор 7, в два раза выше частоты импульсов, поступающих на вход усилителя 14 мощности. Опорное напряжение этого усилителя ~0,5В, а входное напряжение изменяется в пределах 0 5В. Поэтому на выходе усилителя 14 мощности возникают мощные разнополярные импульсы одинаковой длительности, которые образуют наводку на измерительный зонд 2 на частоте, вдвое меньшей основной, что позволяет эффективно ее подавлять, обеспечивая повышение точности измерений. Сигнал линейного аппроксиматора определяется из соотношения: где: - входное напряжение линейного аппроксиматора, В; - размерный коэффициент; - опорное напряжение синхронного детектора, В. Численные коэффициенты, приведенные в выражении (1), получены при разложении полезного сигнала и сигнала помехи в ряд Фурье. Из выражения (1) видно, что отношение сигнала/шум составляет В заявляемом устройстве отношение сигнал/шум на 2 порядка выше, чем у прототипа. Поверхностный потенциал объекта определяется из выражения: где - текущее значение входного напряжения линейного аппроксиматора, В; - текущее значение компенсирующего напряжения на выходе линейного аппроксиматора, В. Из выражения (2) следует, что увеличение или уменьшение входного напряжения линейного аппроксиматора за счет изменения диэлектрических свойств и толщины объекта не влияет на величину вычисленных значений поверхностного потенциала объекта, поскольку в выражение для его вычисления входное напряжение входит через линейные комбинации как в числитель, так и в знаменатель. Таким образом, в заявляемом устройстве, по сравнению с прототипом, повышается чувствительность измерений за счет работы на основной гармонике входного сигнала, увеличивается отношение сигнал/шум за счет ограничения наводки на частоте возбуждения и повышается точность измерений на диэлектрических объектах за счет нечувствительности к их толщине и диэлектрическим свойствам,