SU1659915A1 - Device fpr measuring distribution of surface electrical potential - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике электрических измерений и может быть использовано , например, дл  измерений контактной разности потенциалов. Цель изобретени  - повышение точности измерени . Устройство содержит вибрирующий зонд 1, последовательно соединенные усилитель 2 переменного напр жени , дифференцирующий усилитель 3, блок 4 формировани  компенсирующего сигнала, включающий усилитель-ограничитель 5 и интегратор 6, блок 8The invention relates to electrical measurement techniques and can be used, for example, to measure contact potential differences. The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy. The device comprises a vibrating probe 1, an alternating voltage amplifier 2 connected in series, a differentiating amplifier 3, a compensating signal generating unit 4 comprising an amplifier-limiter 5 and an integrator 6, block 8

Description

Изобретение относитс  ;к технике электрических измерений и может быть использовано , например, дл  измерений контактной разности потенциалов.The invention relates to electrical measurement techniques and can be used, for example, to measure contact potential differences.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  поверхностного потенциала.The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the surface potential.

На чертеже показана структурна  схема предлагаемого устройства.The drawing shows a block diagram of the proposed device.

Устройство содержит последовательно соединенные измерительный зонд 1, усилитель 2 переменного напр жени , дифференцирующий усилитель3, блок 4 формировани  компенсирующего напр жени , включающий последовательно соединенные усилитель-ограничитель 5 и интегратор 6, к выходу которого подключены провод ща  подложка 7 и блок 8 регистрации. Выход дифференцирующего усилител  3 соединен с входом усилител -ограничител  9, выход которого, через последовательно соединенные интегрирующий усилитель 10 и двухполупериод- ный выпр митель 11 подключен к входу компаратора 12, другой вход которого соединен с источником 13 опорного напр жени , а выход - с блоком 14 перемещени  зонда.iThe device comprises a measuring probe 1 connected in series, an alternating voltage amplifier 2, a differentiating amplifier 3, a compensating voltage generating unit 4 comprising a series-connected limiting amplifier 5 and an integrator 6, to the output of which a conductive substrate 7 and a recording unit 8 are connected. The output of the differentiating amplifier 3 is connected to the input of the amplifier-limiting device 9, the output of which, connected through series-connected integrating amplifier 10 and the full-wave rectifier 11 is connected to the input of the comparator 12, the other input of which is connected to the source 13 of the reference voltage, and the output to the unit 14 probe movement. I

Устройство дл  измерени  распределени  поверхностного электрического потенциала работает следующим образом.A device for measuring the distribution of the surface electric potential works as follows.

Исследуемый объект, например полупроводниковый слой, размещают на электропровод щей подложке 7. Измерительный зонд 1 осуществл ет колебани , перпендикул рные к поверхности объекта.При колебани х зонда 1 на усилитель 2 переменного напр жени  поступают переменное напр жение , содержащее основную частоту со, и высшие гармоники. Дл  нормальной работы устройства необходимо, чтобы входное сопротивление R усилител  2 переменного напр жени  и емкость слой - зонд С составл ли дифференцирующук RC-цепь дл  основной частоты а, т.е. ад RC« 1.The object under study, for example, a semiconductor layer, is placed on an electrically conductive substrate 7. Measuring probe 1 oscillates perpendicular to the object surface. As probe 1 oscillates, an alternating voltage containing the fundamental frequency and higher harmonics. For normal operation of the device, it is necessary that the input resistance R of the variable voltage amplifier 2 and the capacitance layer-probe C comprise a differentiating RC circuit for the fundamental frequency a, i.e. hell RC "1.

Далее сигнал проходит дифференцирующий усилитель 3, на выходе которого по вл етс  напр жение асимметричной формы , одна пол рность которого меньше по амплитуде, но имеет большую продолжительность , а друга  пол рность больше поFurther, the signal passes a differentiating amplifier 3, at the output of which a voltage of asymmetric form appears, one polarity of which is smaller in amplitude but has a longer duration, and the other polarity has a greater polarity

амплитуде, но меньшей продолжительности . Амплитуда выходного напр жени  пропорциональна разнице потенциалов сло  и зонда и обратно пропорциональна квадрату рассто ни  зонд - слой, Разность продолжительностей положительной и отрицательной пол рностей зависит лишь от рассто ни  зонда - исследуема  поверхность.amplitude but shorter duration. The amplitude of the output voltage is proportional to the potential difference between the layer and the probe and inversely proportional to the square of the probe – layer distance. The difference between the durations of the positive and negative polarities depends only on the distance of the probe — the surface under study.

Сигнал с выхода дифференцирующего усилител  3 поступает на усилитель-ограничитель 5 и далее на интегратор 6. Усилитель-ограничитель 5 за счет нелинейности амплитудной характеристики позвол ет получить посто нную составл ющую в выходном напр жении при асимметричномThe signal from the output of the differentiating amplifier 3 is fed to the limiting amplifier 5 and further to the integrator 6. The limiting amplifier 5 due to the nonlinearity of the amplitude response makes it possible to obtain a constant component in the output voltage with an asymmetric voltage.

входном сигнале. Интегратор 6 соединен с подложкой 7 и блоком 8 регистрации. Из-за 100%-ной отрицательной обратной св зи напр жение на выходе интегратора будет увеличиватьс  или уменьшатьс  до тех пор,input signal. The integrator 6 is connected to the substrate 7 and the registration unit 8. Due to the 100% negative feedback, the voltage at the integrator output will increase or decrease as long as

пока разница между потенциалами зонда и сло  не станет столь малой, что усилитель- ограничитель 5 перейдет в область линейного режима работы. При этом напр жение на выходе усилител -ограничител  5 не имеетuntil the difference between the potentials of the probe and the layer becomes so small that the limiting amplifier 5 goes into the region of linear operation. In this case, the voltage at the output of the amplifier limiter 5 does not have

посто нной составл ющей.Выходное напр жение интегратора 6 перестает измен тьс  и устанавливаетс  равным потенциалу исследуемой поверхности.constant component. The output voltage of the integrator 6 ceases to change and is set equal to the potential of the surface under study.

Сигнал с выхода дифференцирующегоSignal output from the differentiator

5 усилител  3 поступает также на вход формировател  управл ющего напр жени , состо щего из последовательно соединенных усилител -ограничител  9, интегрирующего усилител  10 и двухполупериодного выпр 0 мител  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 отличаетс  от5, amplifier 3 is also fed to the input of a control voltage driver consisting of a series-connected limit amplifier 9, an integrating amplifier 10 and a full-wave rectifier amplifier 11. The limit amplifier 9 must have a very high transmission coefficient in a linear mode, i.e. . very low signal level at which the limitation occurs, and in that it differs from

5 усилител -ограничител  5. Интегрирующий усилитель 10 должен иметь небольшой коэффициент передачи, значительно меньший коэффициента передачи посто нного напр жени  интегратора 6. При таком исполнении усилитель-ограничитель 9 выдает двухпол рные импульсы равных амплитуд, причем длительность положительного импульса соответствует положительной части выходного напр жени  дифференцирующего усилител  3, а отрицательна  - отрицательной . Интегрирующим усилителем 10 выдел етс  напр жение, пропорциональное разности длительностей импульсов. Двухполупериодный выпр митель 11 служит дл  получени  абсолютного значени  выходного напр жени  интегрирующего усилител  10, пол рность которого зависит от пол рности поверхностного потенциала сло  относительно общей шины.5 amplifier-limiter 5. Integrating amplifier 10 should have a small transfer coefficient, much lower than the transfer voltage of the integrator 6. With this design, the amplifier-limiter 9 produces two-pole pulses of equal amplitudes, and the duration of the positive pulse corresponds to the positive part of the output voltage differentiating amplifier 3, and negative - negative. Integrating amplifier 10 allocates a voltage proportional to the difference in pulse durations. The full-wave rectifier 11 serves to obtain the absolute value of the output voltage of the integrating amplifier 10, the polarity of which depends on the polarity of the surface potential of the layer relative to the common busbar.

Таким образом, независимо от пол рности измер емого потенциала на выходе блока 11 имеетс  напр жение, обратно пропорциональное рассто нию зонда от сло . Это напр жение сравниваетс  компаратором 12 с напр жением блока 13 опорного напр жени  и блоком 14 перемещени  зон- да в зависимости от результата сравнени  приближает или удал ет зонд от исследуемой поверхности.Thus, regardless of the polarity of the measured potential, the output of the block 11 has a voltage inversely proportional to the distance of the probe from the layer. This voltage is compared by the comparator 12 with the voltage of the reference voltage unit 13 and the probe movement unit 14, depending on the result of the comparison, approximates or removes the probe from the surface under study.

Благодар  указанному выполнению ус- тройства, помехи и наводки на частоте колебаний зонда не вли ют на соотношение положительной и отрицательной частей периода поступающего на блок 9 напр жени , вследствие чего точность измерени  распределени  электрического потенциала повышаетс  за счет более точного поддержани  стабильным-рассто ни  между зондом и поверхностью.Due to the above performance, the device, noise and interference at the oscillation frequency of the probe do not affect the ratio of the positive and negative parts of the period of the voltage applied to the block 9, as a result of which the accuracy of the measurement of the distribution of the electric potential is increased due to more accurate maintenance of the stable distance and surface.

Claims (3)

1.Устройство дл  измерени  распределени  поверхностного электрического потенциала , содержащее выполненный в виде вибрирующего электрода измерительный зонд, механически св занный с блоком перемещени  зонда, а электрически - с входом усилител  переменного напр жени , блок формировани  компенсирующего напр жени , выход которого соединен с регистратором и электропровод щей подложкой , и компаратор, первый вход которого соединен с источником опорного напр жени , а выход - с блоком перемещени  зонда, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени , в него введены усилитель-ограничитель, интегрирующий усилитель и дифференцирующий усилитель, вход которого подключен к выходу усилител  переменного напр жени , а выход - к входу блока формировани  компенсирующего напр жени  и через усилитель-ограничитель к интегрирующему усилителю, выход которого соединен с вторым входом компаратора.1. A device for measuring the distribution of the surface electric potential, containing a measuring probe made in the form of a vibrating electrode, mechanically connected to the probe displacement unit, and electrically connected to the input of an AC voltage amplifier, a compensating voltage generating unit, the output of which is connected to the recorder and the electrical wire substrate, and the comparator, the first input of which is connected to the source of the reference voltage, and the output to the probe displacement unit, characterized in that, in order to and measurement accuracy, an amplifier-limiter, an integrating amplifier and a differentiating amplifier are inputted, the input of which is connected to the output of the AC voltage amplifier, and the output is connected to the input of the compensating voltage shaping unit and through the amplifier-limiter to the integrating amplifier whose output is connected to the second input of the comparator. 2.Устройство поп.1,отличающее- с   тем, что блок формировани  компенсирующего напр жени  выполнен в виде последовательно соединенных усилител - ограничител  и интегратора.2. Pop-1 device, characterized in that the compensating voltage generating unit is designed as a series-connected limiter and integrator. 3.Устройство по пп.1 и 2, отлича ю- щ е е с   тем, что выход интегрирующего усилител  соединен с вторым входом компаратора через Двухполупериодный выпр митель.3. The device according to PP.1 and 2, differing from the fact that the output of the integrating amplifier is connected to the second input of the comparator via a full-wave rectifier.