SU972414A1

SU972414A1 - Device for measuring contact difference of potentials

Info

Publication number: SU972414A1
Application number: SU802996878A
Authority: SU
Inventors: Валерий Анцелевич Генкин; Анатолий Лаврентьевич Жарин; Вячеслав Михайлович Ильин; Ефим Израйлевич Фишбейн
Original assignee: Белорусское республиканское научно-производственное объединение порошковой металлургии
Priority date: 1980-10-17
Filing date: 1980-10-17
Publication date: 1982-11-07

Description

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ(54) DEVICE FOR MEASURING THE CONTACT DIFFERENCE

1one

Изобретение относитс к эпектроизмерени м , в частности к технике измерени контактной разности потенциапов, и может быть использовано Дп KcsiTpoiM состо ни поверхностей проводников и попупроводников.The invention relates to spectrometry, in particular, to a technique for measuring the contact potential difference, and Dc KcsiTpoiM of the state of the surfaces of the conductors and semiconductors can be used.

Известно устройство дн измерени контактной разности потенциалов, соДер - жащее динамический конденсатор, образованный неподви}кной и подвижной .ппастннами , источник компенсирующего напр жени , подключенный одним пошосом через добавочный резистор к подвижной ппастине, генератор низкой частоты, первый выход которого соединен с вт(эым полюсом источника компенсирующего напр жени , а второй выход - с неподвижной ппастиной динамического конденсатора , датчик амппитуды вибраций, именлций зонд,расположенный в непосредственной близости от подвижной пластины динамического конденсатора,узкопопосныЙ фильтр, соединенный с выходом датчика амплитуПОТЕНЦИАЛОВA device is known for measuring contact potential difference, which contains a dynamic capacitor formed by mobile and movable capacitors, a voltage-compensating source connected in one step through an additional resistor to a movable joint, a low-frequency generator, the first output of which is connected to a volt the source of the compensating voltage, and the second output - with a stationary lamella of a dynamic capacitor, a vibration amps sensor, a probe located in the immediate vicinity from a moving plate of a dynamic capacitor, a narrow filter, connected to the output of an amplitude sensor.

ды вибраций, и регистрирующий прибор, подключенный к выходу узкопопосного фп льтра (J- J.vibrations, and a recording device connected to the output of a narrow-fingered phrater (J- J.

НеДостатк(1 данного устройства вл етс низка точность измерени . На точность измерений вли ет как наличие зар женных частиц между пластинами измерительного динамического конденсатора, так и наличие случайных электрических попей возле динамического конденсатора. DISADVANTAGE (1 of this device is a low measurement accuracy. The measurement accuracy is affected by the presence of charged particles between the plates of the dynamic measuring capacitor and the presence of random electrical fluxes near the dynamic capacitor.

10 Поэтому известное устройство не позвол ет производить измерени в случае, когда контролируема поверхность эмиттирует зар женные частицы. Кроме того, показани устройства сильно завис т от 10 Therefore, the known device does not allow measurements when the surface being monitored emits charged particles. In addition, device readings are highly dependent on

15 рабочего зазора между контролируемой и эталонной поверхност ми.15 working gap between the controlled and reference surfaces.

Известно также устройство дл измерени контактной разности потенциалов, It is also known a device for measuring contact potential difference,

20 свободное от описанных выше недостатков и содержащее динамический конденсатор , образованный эtaпoннoй и контрогшруемой поверхност ми, перва из кото397 рых механически соединена с эпектромеханическим вибратором и электрически соединена с входом предусипитеп , генератор высокой частоты, соединенный с эпектромеханическим вибратором и перБым фазовым Детектором, генератор низкой частоты, соединенный с эпектромеханическим вибратором и вторым фазовым Детектором, первый заградительный фипьт вкпюченный между выходом предусигитеп и входом первого фазового детектора, второй заграДитепъный , вкпюченный мейшу выходом преду си пи те п и входом второго фазового детектора, интегра тор, вход которого соединен с выходом первого фазового детектора, а выход - с входом регистратора и держателем контропируемой поверхности. Модул ци рабочего зазора измеритепь нрго динамического конденсатора, образо ванного эталонной и контролируемой поверхност ми , осуществл етс одновременно на Двух частотах, а компенсаци вели чины контактной разности потенциалов ве детс по низкочастотной огибающей сигпапа высшей часготы . В известном устройстве дл достиже1 и высокой точности отслеживани контактной разности потенциалов, предусипитеггь должен иметь высокий коэффициент усилени . При значительном отличии потенциала компенсации от величины контак гной разности потенциалов, а также при включении устройства, сигнал на входе предусипитеп может иметь большую амплитуду и поэтому преду си пи те ль может перейти в режим ограничени выходного сигнапа. При этом тер етс низкочастотна амплитудна модул5ши , т.е. низкочастотна огибающа высокочастотного сигнала, по которой известное устройство отслеживает контактную разность потенциалов . Иными словами, при значительном отличии потенциала компенсации от величины контактной разности потенциалов устройство обладает низкой точностью измерени . Цепь изобретени - повышение точнос ти измерений в режиме со значительным отпнчием потенциала компенсации от вет- чины контактной разности потенциалов, и в частности при включении устройства. Поставленна цепь достигаетс тем, что в известное устройство дл измерени , контактной разности потенциалов, содержащее динамический конденсатор, образованный этапонным и контролируемым образцами, первый из которых механичес вибки соединен с эпектромеханическим ратором, и электрически соединен с входом предусилител , генератор высокой астоты, соединенный с электромеханичесим вибратором и первым фазовым детектором , генератор низкой частоты, соединенный с электромеханическим вибратором и вторым фазовым детектором, первый заградительный фильтр, включенный между выходом преду си ли те л и входом первого фазового Детектора, второй заградительный фильтр, выход которого соединен с входом второго фазового детектора, и интегратор, выход которого соединен с держателем контролируемого образца и регистратором, дополнительно введены сумматор, один из входов которого соединен с выходом второго фазового детектора , а выход - с интегратором, электронноуправл емый ключ, включенный между выходом первого фазового детектора и вторым входом сумматора, и амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом первого заградительного фильтра, а выход - с входом второго заградительного фильтра и через сглаживающий ({нльтр соединен с управл ющим входом электронноуправп емого ключа, На чертеже представлена блок-схема устройства. Устройство содержит эталонный образец 1, электромеханический вибратор 2, предусилитель 3, генератор 4 высокой частоты, первый фазовый детектор 5, генератор 6 низкой частоты, второй фазовый Детектор 7, первый загради те фипьтр 8, второй заградитетьный фипьтр 9, интегратор Ю, держатель 11 измер емого образца, регистратор 12, контролируемый образец 13, сумматор 14, эпектронноуправп емый ключ 15, амплитудный Детектор 16 и сглаживающий фипьтр 17. Устройство работает следующим об{эазом . Эталонный 1 и контролируемый 13 образцы образуют динамический конденсатор емкостью С. Вследствие различи работ выхода электрона эталонного и контролируемого образцов динамический конденсатор будет иметь зар д Чу-Чэ где (у - работа выхода электрона контролируемого образца; работа выхода эпектрона эталонного образца; зар д электрона. 597 Генераторы низкой 6 и высокой 4 частот раскачивают электромеханический вибратор и. закреп пенный на нем этапонный образец одновременно на двух частотах иУц Httigi.npH достаточно бопьшой посто мной времени входной цепи предусипигеп 3 периодическое изменение емкости конденсатора вызывает по вление на входе предусипитеп 3 переменного потенциапа, который представ 1 ет собой копебани высокой Частоты, промодупиррванные по амппитуде низкой частотой и копебани низкой частоты. Модул ци высокочастотных копебаиий низкой частотой происходит вспедствие периодического изменени коэффициента преобразовани динамического конденсатора при изменении зазора меж ду эталонным и контропируемым образцами , вызванного низкочастотными копебани ми эталонного образца, С выхода интегратора 10 на контролируемый образец- 13 подаетс потенциал компенсации Uj поэтому величина зар да будет равйа Q--CCU., I, -Ч „ контактна разность поUvon Р -крп е генциалов между эталонным и контролируемым образцами, При и|(рр--ицзар д на Динамическом конденсаторе и сигнал на входе предусилител станов тс равны нулю, а при не-jj выпопнении этого равенства сигнал возрастает с возрастанием по абсолютной величине напр жени Uj/p Оц. Усиленный сигнал с выхода предусилител 3 посчупает на вход первого заградительного филь1ра 8, настроенного на низкую частоту, где отфильтровываетс сигнал низкой частоты. Поэтому на вход амплитудного детектора 16 поступает только высокочастотный сигна. Пос-, ле амплитудного детектировани с помо- шью второго заградительного фильтра 9, настроенного на высокую частоту (JUg выдел етс низкочастотна огибающа высокочастотного сигнала, котора поступает на вход второго фазового Детектора 7 куда также поступает опорный сигнал с низкочастотного генератора 6, Продетектированный сигнал через сумматор 14 поступает на вход интегратора 10, Соотношение фаз пр мого и опорного сигналов поступающих на второй фазовый детектор 7, выбираетс таким образом. Чтобы выходное напр жение фазового детектора 7 146 повышалось при ,pii понижапогь при ,. При этом испопьэуетс тот факт, что при переходе потенциапа компенсации через значение, равное контактной разности потенциалов, фаза сигнапа с динамического конденсатора измен етс на противопопожную. :. При выпопнении равенства г-(J зар д на динамическом конденсаторе равен нулю и сигнал на входе фазового детектора 7 отсутствует. При отклонении потенциапа компенсации от контактной разности потенциалов на входе фазового детектора 7 по вл етс сигнал соответствуклцей фазы, который приводит к изменению потенциала компенсации таким образом, это равенство восстановилось , Еспи потенциал компенсации значительно отличаетс от контактной разности потенциалов, то сигнап на выходе преТРусипитеп 3 возрастает настолько, что происходит ограничение сигнала по ампитуде . В этом случае сигнал на входе фазового детектора 7 отсутствует и описанна выше цель компенсации не работает , а компенсаци осуществл етс следующим образом. На выходе амплитудного детектора, в данном случае, присутствует высокий посто нный потенциал, который вл етс выпр мленным сигналом с предусилител 3, Этот высокий потенциал сглаживаетс сглаживающим фильтром 17, отпирает электронноуправ- л емый ключ 15 и сигнал высокой частоты с предусипител 3, через первый заградительный фильтр 8 поступает на , первый фазовый детектор 5, куда также . поступает опорный сигнал от генератора высокой частоты 4, Продетектированный сигнал поступает через открытый электронноуправл емый ключ 15 и сумматор 14 на вход интегратора 1О, предотвращаюшего самовозбуждение цепи компенсации и д|1лее на контролируемый образец. Соотношение фаз сигналов, поступающих на первый фазовый детектор 5, выбираетс также, как и дл второго фазового Детектора 7. Поэтому потенциал компенсации будет приближатьс к значению контактной разности потенциалов. Когда вследствие приближени (J, к Уцр сигнал на выходе предусилител 3 уменьшитс настолько, что предусилитель выйдет из режима ограничени , уменьшитс посто нный потенциал на выходе амплитудног Детектора 16, При этом эпектронноупра л емый ключ 15 закроетс , а устройст7Q-72A20 free from the above-described disadvantages and containing a dynamic capacitor formed by equilibrated and counter-clamped surfaces, the first of which are mechanically connected to the electro-vibrator and electrically connected to the input of the pre-heater, a high-frequency generator connected to the electro-mechanical vibrator and the per-phase Teacher generator, the generator, a generator, a generator, a high-frequency generator, a coupled generator, and a electro-mechanical vibrator and a per phase Phantom generator, a generator, a high-frequency generator connected to the electro-mechanical vibrator and a perimeter phase generator. connected to the electromechanical vibrator and the second phase detector, the first barrier phypt is inserted between the output of the preamplifier and move the first phase detector, a second zagraDitepny, Moshe vkpyuchenny out before those pi si n and the second input of the phase detector integrals torus, whose input is connected to the output of the first phase detector and an output - to the input of the registrar and the holder kontropiruemoy surface. The modulation of the working gap is measured by a dynamic dynamic capacitor, formed by the reference and controlled surfaces, is carried out simultaneously at two frequencies, and the magnitude of the contact potential difference is compensated by the low-frequency signal envelope of the highest frequency. In a known device for achieving 1 and high accuracy tracking of the contact potential difference, the preamp must have a high gain factor. If the compensation potential is significantly different from the value of the contact of the potential difference, as well as when the device is turned on, the signal at the input can have a large amplitude and therefore can go into the mode of limiting the output signal. In this case, the low-frequency amplitude modulus is lost, i.e. the low-frequency envelope of the high-frequency signal, by which the known device monitors the contact potential difference. In other words, with a significant difference in the compensation potential from the magnitude of the contact potential difference, the device has a low measurement accuracy. The circuit of the invention is to improve the accuracy of measurements in the mode with a significant response potential compensation from the wind contact potential difference, and in particular when the device is turned on. The delivered circuit is achieved by the fact that, in a known measuring device, a contact potential difference containing a dynamic capacitor formed by staged and controlled samples, the first of which is a mechanical vibrator and is electrically connected to the preamplifier input, a high frequency generator connected to an electromechanical vibrator and the first phase detector, a low-frequency generator connected to an electromechanical vibrator and a second phase detector, the first signal an effective filter, connected between the output of the prediction and the input of the first phase Detector, the second barrier filter whose output is connected to the input of the second phase detector, and the integrator, the output of which is connected to the sample holder and the recorder, are additionally entered an adder, one of the inputs which is connected to the output of the second phase detector, and the output to the integrator, an electronically controlled key connected between the output of the first phase detector and the second input of the adder, and an amplitude detector p having an input connected to the output of the first rejection filter and an output - to an input of the second barrier and through a smoothing filter ({nltr connected to a control input elektronnoupravp emogo key, The figure is a block diagram of the device. The device contains a reference sample 1, an electromechanical vibrator 2, a preamplifier 3, a high-frequency generator 4, a first phase detector 5, a low-frequency generator 6, a second phase detector 7, a first lock on the filter 8, a second defaulting filter 9, an integrator U, a holder 11 meter sample, the recorder 12, the test sample 13, the adder 14, an e-key switch 15, an amplitude Detector 16 and a smoothing filter 17. The device operates as follows. The reference 1 and the controlled 13 samples form a dynamic capacitor of capacity C. Due to the difference in the electron work functions of the reference and controlled samples, the dynamic capacitor will have a charge of Chu-Chae where (y is the electron work function of the test sample; the electron output of the reference sample; electron charge. 597 Generators of low 6 and high 4 frequencies rock the electromechanical vibrator and fix a staging sample on it at the same time on two frequencies and IZU Httigi.npH for quite a long time A periodic change of the capacitor capacitance causes the appearance of a variable potentiometer 3 at the input, which represents 1 high frequency cocks, modulated by low frequency and low frequency copecks. Modulation of high frequency copebias by low frequency results in a periodic change of the dynamic conversion coefficient condenser when the gap between the reference and contoured samples changes, caused by low-frequency co-flippers and a reference sample, From the output of the integrator 10 to the controlled sample - 13, the potential of compensation Uj is applied, so the charge value will be equal to Q - CCU., I, -H is the contact difference between the Uvon and the controlled samples, At and (pp - izzar d on the Dynamic capacitor and the signal at the input of the preamplifier become equal to zero, and if this equality does not occur, the signal increases with increasing absolute value of the voltage Uj / p Ots. The amplified signal from the output of the preamplifier 3 is sampled at the input of the first barrier filter 8, tuned to a low frequency, where the low frequency signal is filtered out. Therefore, only a high-frequency signal is fed to the input of the amplitude detector 16. After the amplitude detection using the second barrier filter 9, tuned to a high frequency (JUg, a low-frequency envelope of the high-frequency signal is extracted, which enters the input of the second phase Detector 7 where the reference signal from the low-frequency generator 6 also arrives. The detected signal passes through the adder 14 is fed to the input of the integrator 10. The phase ratio of the direct and reference signals to the second phase detector 7 is selected in this way. To output the voltage of the phase detector 7 146 increased at, pii lowering when ,.It is used the fact that when the compensation potential goes through a value equal to the contact potential difference, the phase of the signal from the dynamic capacitor changes to the antibench.:. the dynamic capacitor is zero and there is no signal at the input of the phase detector 7. When the compensation potential deviates from the contact potential difference at the input of the phase detector 7, a corresponding phase signal appears that changes Thus, if this compensation is restored, if Espi compensation potential differs significantly from the contact potential difference, then the signal at the output of PreTrRipType 3 increases so that the amplitude of the signal is limited. In this case, the signal at the input of the phase detector 7 is absent and the compensation objective described above does not work, and the compensation is carried out as follows. At the output of the amplitude detector, in this case, there is a high constant potential, which is a rectified signal from preamplifier 3. This high potential is smoothed by a smoothing filter 17, unlocks the electronically controlled key 15 and the high frequency signal from preamp 3, through the first the barrier filter 8 arrives at, the first phase detector 5, where also. the reference signal is received from the high-frequency generator 4, the detected signal is fed through the open electronically controlled key 15 and the adder 14 to the input of the integrator 1O, which prevents the compensation circuit from self-excitation and d | 1le to the sample under test. The phase ratio of the signals arriving at the first phase detector 5 is chosen the same as for the second phase Detector 7. Therefore, the compensation potential will approach the value of the contact potential difference. When, as a result of approaching (J, Ucr, the signal at the output of preamplifier 3 decreases so much that the preamplifier leaves the limiting mode, the constant potential at the output of the amplitude Detector 16 decreases, while the controlled key 15 closes and the 7Q-72A device

DO перейдет к режиму описанной компенсации по низкочастотной огибающей высокочастотного сигнапа.DO will switch to the mode of the described compensation for the low-frequency envelope of the high-frequency signal.

Таким образом, при эначитегизном отгшчии потенциала компенсации от значе- 5 ки контактной разности потенциапов, уст-ройствао осушестви ет компенсацию по высокочастотному сигнапу, а при приближении и , к UKP устройство переходит в режим компенсации по низкочастотной О огибаклцей высокочастотного сигнапа, что ;1озвогшет повысить точность измерени контактной разности потенциалов.Thus, with a significant otgshchii potential compensation from the value of the contact potential difference, the device performs compensation for the high-frequency signal, and when approaching and to the UKP, the device switches to the compensation mode for the low-frequency signal of the high-frequency signal that; measurement accuracy of the contact potential difference.

Кроме того, устройство позвол ет производить исследовани быстрых измене- И НИИ контактной разности потенциалов при раапичнь:х воздействи х на измер емую поверхность и осуществл ть сканирование поверхности измер емого образца эталонным с целью определени топологии рас- «fO пределени работы выхода электронов.In addition, the device makes it possible to study fast changes in the research potential of the potential difference with different effects on the measured surface and to scan the surface of the measured sample as a reference to determine the topology of the distribution of the electron work function.

Форму л а. изобретени Устройство дл измерени контактной разности потенциалов, содержащее динамический конденсатор, образованный эталонным и контролируемым образцами, первый из которых механически соединен с электромеханическим вибратором и электрически соединен с входом предусилител , генератор высокой частоты, соединенный с электромеханическим вибратором и первым фазовым детектором, генератор низкой частоты, соединенный с эарктро14 8Formula aa The device for measuring contact potential difference, containing a dynamic capacitor, formed by reference and controlled samples, the first of which is mechanically connected to an electromechanical vibrator and electrically connected to the preamplifier input, a high-frequency generator connected to an electromechanical vibrator and the first phase detector, a low-frequency generator, connected to ear14 14

механическим вибратором и вторым фазовым Детектором, первый заградительный фильтр, включенный между выходом предусилител и входом первого фазового Детектора, второй заградительный фильтр, выход которого соединен с входом второго фазового детектора, и интегратор , выход которого соединен с держателем контролируемого образца и регистратором , отличающеес тем, что, с целью повышени точности измерени в режиме со значительным отличием потенциала компенсации от величины контактной разности потенциапов, в него введены сумматор, один из входов которого соединен с выходом второго фазового детектора, а выход - с интегратором , эНектронноуправп емый кпюч, включенный между выходом первого фазового Детектора и вторым входом сумматора , и амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом первого заградительного фильтра, а выход - с входом второго загради те ггь кого фильтра и через сглаживающий фиггьтр соединен с управл ющим входом эпектронноуправл емого ключа.a mechanical vibrator and a second phase detector, a first barrier filter connected between the preamplifier output and the input of the first phase detector, a second barrier filter whose output is connected to the input of the second phase detector, and an integrator whose output is connected to the holder of the test sample and the recorder, characterized by that, in order to improve the measurement accuracy in the mode with a significant difference in the compensation potential from the magnitude of the contact potential difference, an adder is entered into it, one from the inputs of which is connected to the output of the second phase detector, and the output to the integrator, an eKontransported kpyuch connected between the output of the first phase detector and the second input of the adder, and an amplitude detector, the input of which is connected to the output of the first barrier filter, and the output to the input of the second lock the filter and through the smoothing figure connected to the control input of the controlled key.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизеSources of information taken into account in the examination

1. Илюкович А. М. Техника электрометрии .М.,Энерги , 1976, с 335.1. Ilyukovich A.M. Electrometry Technique .M., Energie, 1976, p. 335.

l.bCot-t ВИ-,ЬееТ.1-А ixuoirecyuevicv vibvatw capacitor vmetViod for covitact ptentioE a-ifierence measuretnehts. .P.t., 1969,11,/9, 785-7gS(;npOTo-rMnl.bCot-t VI-, LEATT.1-A ixuoirecyueuevicv vibvatw capacitor vmetViod for covitact ptentioE a-ifierence measuretnehts. .P.t., 1969.11, / 9, 785-7gS (; npOTo-rMn

Claims

Form pa. inventions ¹ Device for measuring the contact potential difference 25, containing a dynamic capacitor formed by reference and controlled samples, the first of which is mechanically connected to an electromechanical vibrator and electrically connected to the input of the preamplifier, a high-frequency generator connected to an electromechanical vibrator '' and the first phase detector, low-frequency generator connected to eprktro—; ι "

14 by a mechanical vibrator and a second phase detector, a first barrier filter connected between the output of the preamplifier and the input of the first phase Detector, a second barrier filter, the output of which is connected to the input of the second phase detector, and an integrator whose output is connected to the holder of the controlled sample and the recorder, characterized in that, with a chain for increasing the measurement accuracy in the mode with a significant difference in the compensation potential from the value of the contact potential difference, an adder, one and the inputs of which are connected to the output of the second phase detector, and the output is with the integrator, an electronically controlled key connected between the output of the first phase detector and the second input of the adder, and an amplitude detector, the input of which is connected to the output of the first blocking filter, and the output is connected to the input of the second blocking filter and through a smoothing filter connected to the control input of an electronically controlled key.