DE2613528A1

DE2613528A1 - Schwingkondensator

Info

Publication number: DE2613528A1
Application number: DE19762613528
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl Phys Besocke
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1976-03-30
Filing date: 1976-03-30
Publication date: 1977-10-13
Also published as: GB1568634A; FR2346834B1; DE2613528B2; FR2346834A1; DE2613528C3; US4100442A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingkondensator mit elektromechanischem Antrieb für die schwingende Elektrode.

Schwingkondensatoren werden insbesondere zur Bestimmung der Elektronen-Austrittsarbeit aus Materialgrenzflächen eingesetzt. Von Interesse ist vor allem die Austrittsarbeit aus Grenzflächen von elektrischen Leitern oder Halbleitern. Die Bestimmung der Austrittsarbeit von Elektronen hat für die Beurteilung von Oberflächeneigenschaften der Materialien eine erhebliche Bedeutung. Zur Messung der Austrittsarbeit sind photoelektrische Methoden, thermionische Methoden sowie Methoden der Messung der Kontaktpotentialdifferenz bekannt. Die letztere Methode wird als eine die zu untersuchende Oberflächen nicht beeinflussende Messmethode bevorzugt angewandt. Die Messungen werden in mit reinsten Gasen gefüllten Räumen oder in Ultrahochvakuum, d.h. bei einem Druck unter 10-10 Torr durchgeführt.

Schwingkondensatoren zur Bestimmung der Austrittsarbeit sind als sogenannte "Kelvin-Sonden" bekannt geworden. Mit "Kelvin-Sonden" wird das Kontaktpotential zwischen Grenzflächen zweier Materialien mit verschiedener Elektronen-Austrittsarbeit gemessen (vgl. Revus of Scientific Instruments, 1978, Vol. 11, Seite 256). Bei diesen Sonden wird in den meisten Fällen die schwingende Elektrode als Referenzelektrode benutzt. Sie besteht aus einem Material, das während der Messzeit seine Elektronen-Austrittsarbeit nicht verändert. Die Gegenelektrode bildet das Prüfstück, für dessen Oberfläche die Austrittsarbeit zu bestimmen ist. Infolge der Bewegung der Referenzelektrode gegenüber dem Prüfstück ändert sich die Kapazität des Kondensators. Bei unterschiedlicher Austrittsarbeit zwischen Referenzelektrode und Prüfstück fließt ein Verschiebungsstrom, der proportional der Kontaktpotentialdifferenz ist. Die schwingende Bewegung der Elektrode wird bei "Kelvin-Sonden" auf mechanischem oder elektromechanischem Wege erzeugt. Dazu ist es notwendig, elektrisches Erregersystem und erzeugtes Meßsignal elektrisch zu entkoppeln, um die Empfindlichkeit der "Kelvin-Sonde" möglichst hoch zu halten. Das Messen in Meßkammern, die mit reinsten Gasen gefüllt sind oder die unter Ultrahochvakuum stehen, macht es in den meisten Fällen außerdem erforderlich, die elektrischen Erregersysteme außerhalb der Meßkammern unterzubringen. Diese Anordnung ist bei elektromechanischem Antrieb wegen der mechanischen Kopplung zwischen elektrischem Erregersystem auf der Außenseite der Meßkammer und schwingender Elektrode innerhalb der Kammer von großem Nachteil. Schwierigkeiten bereitet auch die Justierung zwischen schwingender Elektrode und Gegenelektrode zur Einstellung des mittleren Abstandes. Die genaue Bestimmung der Austrittsarbeit nach der Methode von Kelvin ist daher nur unter erheblichem technischen Aufwand möglich (vgl. Journal of Physics, E: Scientific Instruments, 1970, Vol. 3, Seiten 477 ff).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwingkondensator von hoher Empfindlichkeit zu schaffen, bei dem die schwingende Elektrode über ein elektromechnisches Erregersystem bewegbar ist, das bei möglichst geringem Raumbedarf innerhalb der Meßkammer einsetzbar ist. Zugleich soll der technische Aufwand für die Bestimmung von Austrittsarbeit von Elektronen mittels "Kelvin-Sonde" verringert werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Schwingkondensator der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Elektrode an einem von einem Piezokristall erregten Federelement befestigt ist und der Piezokristall an einer Wechselspannung anliegt, der eine Gleichspannungskomponente überlagert ist. Piezokristalle als Schwingungserreger für "Kelvin-Sonden" sind aus Journal of Physics, E: Scientific Instruments, 1978, Vol. 3, Seite 479 an sich bekannt. Eine
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Zuordnung zwischen Piezokristall und Schwingkondensator wird jedoch nicht beschrieben. Zum Antrieb der schwingenden Elektrode gemäß der Erfindung mit Federelement bedarf es nur geringer elektrischer Energie, so dass Störungen des von der "Kelvin-Sonde" erzeugten Meßsignals durch das Erregerfeld vernachlässigbar gering sind. Piezokristall und Federelement bilden für die schwingende Elektrode ein Erregersystem von extrem kleinem Raumbedarf. Das Erregersystem lässt sich ohne weiteres vollständig in der Messkammer
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unterbringen, so dass durch die Wandung der Messkammer lediglich die elektrischen Leiter für die Erregung des Piezokristalls und die Leitungen für das Meßsignal hindurchzuführen sind. Das Federelement und mit ihm die Elektrode des Kondensators werden in an sich bekannter Weise durch Abstimmen der Erregerfrequenz auf Grundschwingung oder Oberschwingung des Federelements in Schwingung versetzt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass dem den Piezokristall erregenden elektrischen Wechselfeld eine Gleichspannungskomponente überlagert ist. Durch Anlegen einer konstanten Gleichspannung deformiert sich der Piezokristall und gibt dem Federelement eine Vorspannung, die den mittleren Abstand zwischen schwingender Elektrode und Gegenelektrode bestimmt. Bevorzugt ist die Gleichspannungskomponente regulierbar, so dass sich hierdurch hierdurch durch bei Bestimmung der Austrittsarbeit mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kondensators eine sehr einfache Möglichkeit ergibt, die Referenzelektrode gegenüber dem Prüfstück zu justieren.

Um die Empfindlichkeit des Schwingungskondensators in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zu steigern, ist der Piezokristall von einer elektrischen Abschirmung umgeben.

Eine auch für Ultravakuum bewährte Befestigung des Piezokristalls am Federelement ist dadurch gegeben, dass Piezokristall und Federelement mittels eines Zweikomponentenlackes auf Polyurethan-Basis miteinander verbunden sind. Zweikomponentenlacke dieser Art sind als Vakuumdich Vakuumdichtungsmittel bekannt (vgl. Vakuumtechnik, 1973, Heft 3, Seite 53 ff). Diese Lacke härten auch bei Raumtemperatur bei mäßiger Schrumpfung aus, so dass zwischen Piezokristall und Federelement nach Auftragen eines gleichmäßigen Lackfilms eine innige Verbindung erzielbar ist. Vorteilhaft ist es, das Federelement als Blattfeder auszubilden, da hierdurch bei vergleichbarer Deformation des Piezokristalls eine Vergrößerung der Amplitude der schwingenden Elektrode erreicht wird.

Als Material für das Federelement ist Metall, aber auch elektrisch isolierender Werkstoff verwendbar. Damit möglichst hohe Erregerfrequenzen erreichbar sind, ist bei der Auswahl geeigneter Materialien auf hohen Elastizitätsmodul bei geringer Dichte zu achten. Es kommen Materialien, wie W, Ti, Mo, Be, aber auch Glimmer in Frage.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung schematisch wiedergegeben ist, näher erläutert werden. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Schwingkondensator zur Messung von Austrittsarbeit

Fig. 2 Schaltungsanordnung zur Messung von Austrittsarbeit mit einem Schwingkondensator nach Fig. 1

Wie die Zeichnung zeigt, besteht der Schwingungskondensator aus einer schwingenden Elektrode 1 und einer ortsfesten Gegenelektrode 2. Für die Ausbildung als "Kelvin-Sonde" ist die schwingende Elektrode 1 des Kondensators als Referenzelektrode ausgeführt. Sie besteht aus einem Material, dessen Austrittsarbeit sich während der beabsichtigten Messungen nicht verändert, z.B. Gold oder SnO2. Die Gegenelektrode 2 bildet das Prüfstück. Die schwingende Elektrode 1 ist an einem Federelement 3 befestigt, das als Blattfeder an seinem anderen Ende von einem Piezokristall 4 zu Transversalschwingungen angeregt wird. Statt einer Blattfeder sind aber auch andere Federelemente, insbesondere Longitudinalschwinger verwendbar. Das Federelement 3 ist aus Molybdän gefertigt.

Der mit dem Federelement 3 verbundene Piezokristall 4, eine 0,1 mm dicke Piezokeramik-Folie, ist beidseitig mit einer Metallschicht überzogen, die mit der den Piezokristall erregenden Wechselspannungsquelle in Verbindung steht. Als temperatur- und ultrahochvakuumbeständige Piezokeramik wurde eine aus Blei, Zirkonat und Titanat gebildete Piezokeramikfolie mit 0,5 Gew.% Neodym als Zusatz verwendet. Die Piezokeramikfolie ist unter der Handelsbezeichnung PTZ-H-42 erhältlich.

Die Piezokeramik war mit Gold kontaktiert. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung verformt sich der Piezokristall mechanisch und überträgt seine Bewegung auf das Federelement und damit auf die am Federelement befestigte Elektrode 1, so dass diese ihren Abstand zur Gegenelektrode, d.h. zum Prüfstück ändert.

Den Piezokristall 4 umgibt eine metallische Abschirmung 5. Die Empfindlichkeit des Schwingkondensators wird hierdurch gesteigert. Die Abschirmung 5 bildet gleichzeitig die Halterung für den aus Piezokristall 4, Federelement 3 und Elektrode 1 bestehenden Schwingarm des Kondensators. In der Abschirmung 5 ist der Schwingarm mittels einer Klemmschraube 6 zwischen zwei Isolatorstücken 7 und elektrischen Leitern 8 befestigt. Die elektrischen Leiter 8 stehen mit Zuleitungen 9, 10 in Verbindung, die an einer Wechselspannungsquelle 11 angeschlossen sind. Die Zuleitungen 9, 10 sind ebenfalls elektrisch abgeschirmt verlegt, was in der Zeichnung nicht gesondert dargestellt ist.

Der Piezokristall 4 ist mittels eines aushärtbaren Zweikomponentenlackes auf Polyurethan-Basis, der an sich als Vakuumdichtungsmittel bekannt ist, mit dem Federelement 3 verkittet. Im Ausführungsbeispiel wurde ein unter dem Handelsnamen "Desmodur-Desmophen-Lack" erhältlicher, dünnflüssiger, die Oberfläche gut benetzender Zweikomponentenlack verwendet. Der

Schwingarm ist wie folgt dimensioniert: Federelement: 25 mm lang, 1,5 mm breit und 0,1 mm dick, Kontaktfläche der Elektrode: 2 x 1,5 mm2, Piezokristall: 15 mm lang, 1,5 mm breit und 0,1 mm dick. Die Abschirmung 5 hat einen Durchmesser von ca. 5 mm, sie ist 15 mm lang.

Zur Erregung des Piezokristalls 4 sind wie in Fig. 2 dargestellt ist die aus der Meßkammer 12 herausgeführten Zuleitungen 9,10 in einem Leiterkreis 13 mit einer Sekundärwicklung 14 eines Transformators verbunden, der als Wechselspannungsquelle 11 primärseitig von einem Sinuswellengenerator 15 gespeist wird. Im Leiterkreis 13 befindet sich

zusätzlich eine Spannungsquelle 13 zum Einstellen einer der Wechselspannung überlagerten konstanten Gleichspannung, mit Hilfe der der mittlere Abstand zwischen schwingender Elektrode 1 und Gegenelektrode 2 einstellbar ist.

Das Meßsignal wird über einen Leiter 17 aus der Meßkammer 12 herausgeführt und in einem mit der Elektrode 1 verbundenen Leiterstrang 18 an einen Synchrondetektor 19 weitergeleitet, der vom Sinuswellengenerator 15 synchronisiert wird. Über einen Integratur 20 erfolgt ein selbsttätiger Nullabgleich des Meßsignals, so dass die zu messende Änderung der Austrittsarbeit unmittelbar über einen Recorder 21 registrierbar ist. Im Leiterstrang 18 befindet sich noch eine Spannungsquelle 22, die zur Simulation einer Austrittsarbeitsänderung dient.

Vor dem Zusammenbau des erfindungsgemäßen Schwingkondensators wurde der zur Erregung der schwingenden Elektrode vorgesehene Piezokristall durch einen Gleichspannungsimpuls über 100 V polarisiert. Der verkittete Schwingarm des Kondensators wurde ultraschallbehandelt und über drei Stunden bei 200oC getrocknet. Nach Installieren des Schwingarmes in der Meßkammer wurde das gesamte System zusätzlich unter Vakuum bei 200oC über 24 Stunden ausgeheizt. Nach dieser Behandlung zeigte sich bei einem Ultravakuum von 4 x 10-11Torr keinerlei Verunreinigung. Messungen zur Änderung der Austrittsarbeit wurden vorgenommen bei Anregung des Federelements in seiner Grundschwingung sowie in der zweiten Oberschwingung. Für das im Ausführungsbeispiel verwendete, als Blattfeder aus Molybdän ausgebildete Federelement der angegebenen Abmessung ergab sich eine Resonanzfrequenz von 145 Hertz bzw. 750 Hertz für die zweite Oberschwingung.

Zur Bestimmung der Austrittsarbeit mit dem erfindungsgemäßen Schwingungskondensator wurde für die schwingende Elektrode eine Amplitude von 0,2 mm eingestellt. Die für diese Schwingung notwendige Wechselspannung zur Erregung des Piezokristalls beträgt nur 0,3 V bei der Grundschwingung und 1,3 V bei der zweiten Oberschwingung, wobei die erforderlichen Ströme unter 1 /uA liegen. Bei diesen Betriebsbedingungen sind die vom Erregerfeld bedingten Streufelder sehr gering. Zur Einstellung des mittleren Abstandes zwischen Elektrode 1 und Gegenelektrode 2 ist mit Hilfe der Spannungsquelle 17 eine Gleichspannung zwischen ± 70 V einstellbar, mit deren Veränderung sich der mittlere Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode im Bereich zwischen 0,5 mm variieren lässt. Die Meßgenauigkeit des Schwingkondensators konnte durch Simulation einer Austrittsarbeitsänderung von 1,7 mV mit Hilfe der Spannungsquelle 23 ermittelt werden. Bei einer Zeitkonstanten unter 10 sec ergab sich eine Auflösung von 0,1 mV.

Das erfindungsgemäße Erregersystem des Schwingkondensators mit Piezokristall und Federelement gestattet es über das beschriebene Ausführungsbeispiel hinaus in einfacher Weise, eine elektronische Schaltung zur Selbsterregung des aus Piezokristall, Federelement und Elektrode gebildeten Schwingarms des Kondensators einzusetzen. Auch ist die Spannungsquelle 17 durch einen elektronischen Regler ersetzbar, mit dessen Hilfe ein vorgegebener mittlerer Abstand zwischen schwingender Elektrode und Prüfstück, z.B. nach Manipulation des Prüfstücks selbsttätig wieder eingestellt wird.

Claims

1. Schwingkondensator mit elektromechanischem Antrieb für die schwingende Elektrode, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektrode (1) an einen von einem Piezokristall (4) erregten Federelement (3) befestigt ist und der Piezokristall (4) an einer Wechselspannung anliegt, der eine Gleichspannungskomponente überlagert ist.

2. Schwingkondensator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Gleichspannungskomponente regulierbar ist.

3. Schwingkondensator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Piezokristall (4) von einer elektrischen Abschirmung (5) umgeben ist.

4. Schwingkondensator nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, dass Piezokristall (4) und Federelement (2) mittels eines Zweitkomponentenlackes auf Polyurethan-Basis miteinander verbunden sind.

5. Schwingkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, dass das Federelement als Glattfeder ausgebildet ist.

6. Schwingkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Federelement aus Material mit hohem Elastizitätsmodul bei geringer Dichte besteht.