WO1993011607A1

WO1993011607A1 - Verfahren und schaltung zur messung von teilchenströmen

Info

Publication number: WO1993011607A1
Application number: PCT/EP1992/002363
Authority: WO
Inventors: Norbert Rolff
Original assignee: Leybold Aktiengesellschaft
Priority date: 1991-12-05
Filing date: 1992-10-14
Publication date: 1993-06-10
Also published as: EP0615669B1; US5543706A; DE59209752D1; DE4140112A1; JP3236297B2; EP0615669A1; JPH07501616A

Abstract

Um extrem kleine Ströme schnell, genau und störungsfrei zu messen, wird vorgeschlagen, daß Ströme mit sehr kleinen Stromstärken mittels hintereinander angeordneter Verstärker (2, 9, 13) mindestens einmal verstärkt werden, daß an den Ausgängen (4, 11, 14) dieser Verstärker Signale zur Bildung von Meßwerten aus verschiedenen Strombereichen abgenommen werden, daß Ströme mit größeren Stromstärken über ein oder mehrere Bauteile (18, 19), deren Leitfähigkeit sich ändert, in mindestens einen weiteren Strompfad für höhere Ströme geleitet werden, daß die Änderung der Leitfähigkeit des oder der Bauteile (18, 19) vom Verstärkerausgangssignal (4) einer der vorherigen Stufen abgeleitet wird, daß dieses Verstärkerausgangssignal (4) des Verstärkers (2) sich dann nur noch soweit ändert, bis die Bauteile (18, 19) eine ausreichende Leitfähigkeit besitzen, daß das Eingangspotential des weiteren Strompfades während des Fließens eines höheren Stromes eine etwas abweichende Spannung besitzt und daß der Strompfad für höhere Ströme mindestens einen Ausgang (23) zur Bildung von Meßwerten für weitere Strombereiche enthält.

Description

Verfahren und Schaltung zur Messung von Teilchenströmen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung kleiner Ströme sowie auf eine Schaltung zur Durchführung dieses Verfah¬ rens.

In vielen Meßgeräten, z. B. in Massenspektrometern, Vakuummeßge¬ räten usw., erfolgt die Meßwertbildung aufgrund von Strömen, die von positiv oder negativ geladenen, auf eine Elektrode auftref¬ fende Teilchen erzeugt werden. Der dynamische Bereich der auf¬ tretenden und zu messenden Ionen- oder Elektronenstromstärken ist sehr groß. Er reicht häufig von einigen hundert atto-Ampere bis zu einigen mikro-Ampere und überstreicht damit mehr als neun Dekaden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung von Strömen dieser Größenordnung sowie eine zur Durchführung dieses Meßverfahrens geeignete Schaltung vorzu¬ schlagen, mit deren Hilfe die Meßwertbildung schnell, genau und störungsfrei möglich ist.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren ist durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 5, die erfindungsgemäße Schaltung durch die Merkmale der Patentansprüche 6 bis 13 gekennzeichnet. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Meßverfahrens liegt darin, daß alle Strombereichsausgänge parallel einschwingen, . so daß die Meßsignale unabhängig von der Größe des Eingangsstromes durch den nachgeschalteten Multiplexer ausgewählt und gelesen werden können. Dadurch wird beispielsweise eine softwaremäßige Logarithmierung ermöglicht. Die Meßwertbildung erfolgt sehr schnell, zusätzlich unterstützt durch den Vorteil, daß die Schaltung sehr schnell (mit kurzen Zeitkonstanten) ausgeführt werden kann. Wegen der kleinen Zeitkonstanten kann die Mittelungs¬ zeit per Software in einem weiten Bereich gewählt werden, indem aus vielen Einzelmessungen gemittelt wird. Eine Offsetberücksich- tigung ist in einfacher Weise möglich, indem zu einem Zeitpunkt, zu dem kein Eingangsstrom fließt, alle Strombereichsausgänge gemessen und dieser Wert während der normalen Messung als Offset¬ wert subtrahiert wird.

Der Aufwand und der Platzbedarf für die erfindungsgemäße Schal¬ tung sind gering. Die Schaltung benötigt keine Relais' und ist dadurch störunempfindlich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Schaltskizzen erläutert werde .

Beim Prinzip-Schaltbild nach Figur 1 ist der Eingang der Schal¬ tung mit 1 bezeichnet. An den Eingang 1 schließt sich ein Opera¬ tionsverstärker 2 mit seinem Rückkoppelwiderstand 3 an. Der Ausgang 4 des Operationsverstärkers 2 ist über die Leitung 5, in der sich ein Tiefpaß 6 befindet, mit dem Multiplexer 7 verbunden. Der Ausgang des Tiefpasses 6 ist außerdem noch an den Eingang eines Verstärkers 9 angeschlossen, dessen Ausgang 11 über die Leitung 12 mit dem Multiplexer 7 verbunden ist. Zusätzlich ist der Ausgang 11 des Verstärkers 9 an den Eingang des Verstärkers 13 angeschlossen, dessen Ausgang 14 über die Leitung 15 mit dem Multiplexer 7 verbunden ist.

An den Signaleingang 1 schließt sich weiterhin eine Leitung 17 mit zwei anti parallel geschalteten Dioden 18, 19 an. Diese Leitung 17 führt zum Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 21 mit seinem Rückkoppelwiderstand 22. Der Ausgang 23 dieses Operationsverstärkers ist zu einem der beiden Eingänge eines Differenzverstärkers 25 geführt. Der Ausgang 26 des Differenz¬ verstärkers ist über die Leitung 27 mit dem Multiplexer 7 und zusätzlich noch über die Leitung 28 mit dem Eingang eines weite¬ ren Verstärkers 29 verbunden, dessen Ausgang 31 über die Leitung 32 mit dem Multiplexer verbunden ist.

Schließlich ist noch die Leitung 33 mit den beiden in Reihe geschalteten Dioden 34 und 35 sowie mit dem geerdeten Widerstand 36 vorgesehen. Zwischen den Dioden 34, 35 und dem Widerstand 36 ist eine Leitung 37 angeschlossen, die mit dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers 25 verbunden ist. Außerdem steht dieser Leitungsabschnitt mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 21 in Verbindung.

An den Multiplexer 7 schließt sich noch der Analog-Digital-Wand- ler 38 an.

Die dargestellte Schaltung ist in der Lage, Eingangsströme mit einem großen dynamischen Bereich zu messen. Wenn der Eingangs¬ strom klein ist, d.h. wenn er im unteren Strommeßbereich liegt, fällt am Widerstand 3 eine relativ kleine Spannung ab, d.h., die Dioden 34, 35 werden nicht leitend. In der Leitung 33 fließt deshalb kein Strom, so daß auch am Widerstand 36 keine Spannung abfällt. Der zweite Operationsverstärker 21 regelt damit seinen Minuseingang auf 0 V, so daß auch keine Spannung an den Dioden 18, 19 liegt. Dadurch sind diese Dioden gesperrt. Der (kleine) Eingangsstrom fließt deshalb nur in den Widerstand 3 hinein, so daß am Ausgang 4 des Operationsverstärkers 2 Spannungen gemessen werden können, die proportional zum Eingangsstrom sind. Der Ausgang 4 des Operationsverstärkers 2 bildet damit einen der Strombereichsausgänge, die mit dem Multiplexer 7 verbunden sind.

Die von sehr kleinen Eingangsströmen herrührenden SpannungsSigna¬ le können außerdem noch mit Hilfe der Verstärker 9 und 13 verstärkt werden. Die Ausgänge 11 und 14 dieser Verstärker sind ebenfalls mit dem Multiplexer 7 verbunden und bilden damit weitere Strombereichsausgänge. Bei kleinsten Eingangsströmen, d.h. wenn der Ausgang 14 noch nicht übersteuert ist, wird an diesem Ausgang gemessen. Bei Eingangsströmen zunehmender Größe liefert der Verstärker 13 übersteuerte Signale,' so daß auf den Ausgang 11 des Verstärkers 9 übergegangen werden muß. Solange dieser Verstärker 9 keine übersteuerten Signale liefert, wird das vom Ausgang 11 gelieferte Signal als Meßsignal herangezogen. Bei weiterer Erhöhung des EingangsStromes muß in gleicher Weise auf den Ausgang 4 des Operationsverstärkers 2 übergegangen werden.

Die Dioden 34 und 35 sind derart dimensioniert, daß sie etwa dann leitend werden, wenn der Meßbereich, in dem der Signalbereichs¬ ausgang 4 des Operationsverstärkers 2 ordentliche Meßwerte liefert, ausgeschöpft ist. Am Widerstand 36 fällt dann eine Spannung ab, die sich infolge der Regeleigenschaft des Operati¬ onsverstärkers 21 auch an seinem Negativ-Eingang ausbildet. Der in den Eingang 1 einfließende Eingangsstrom kann sich deshalb aufteilen und wird von beiden Operationsverstärkern 2 und 21 registriert. Die Aufteilung erfolgt in der Weise, daß ein kon¬ stant bleibender Anteil in den Widerstand 3 einfließt, während der jeweilige Überschuß-Anteil in den Widerstand 22 des Operati¬ onsverstärkers 21 einfließt. Der Strombereichsausgang 4 des Operationsverstärkers 2 liefert damit an den Multiplexer 7 ein konstantes Spannungssignal, das im linearen Bereich liegt. Desgleichen liefert der Ausgang 23 des Operationsverstärkers 21 ein Signal, das dem Überschußanteil entspricht, wobei dieses Signal mit der Flußspannung der Dioden 18 und 19 fehlerbehaftet ist. Da diese Spannung auch am Eingang des Differenzverstärkers 25 (Leitung 37) liegt, steht am Ausgang des Differenzverstärkers

25 die korrigierte Spannung an und wird unmittelbar über Leitung

26 oder einmals verstärkt (Verstärker 29) dem Multiplexer 7 zugeführt.

An dieser Stelle ist eine Vereinfachung der Schaltung möglich_/ wobei der Ausgang des Verstärkers 21 direkt mit dem Multiplexer 7 verbunden ist. Die Korrektur, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Differenzverstärker 25 übernimmt, muß dann durch die Verbindung der Leitung 37 zum Multiplexer 7 der Software zugänglich gemacht werden, die dann die Differenz bildet. Der Strompfad für kleine Ströme kann auch zwei Ausgänge aufweisen und/oder über einen Feldeffekt-Transistor geführt sein. Ist ein dritter Strompfad vorhanden, so kann dieser am zweiten aufgehängt sein. Die Leitfähigkeit zusätzlicher, zu den Bauteilen 18, 19 korrespondierender Bauteile wird zweckmäßiger vom Verstär¬ kerausgangssignal 23 abgeleitet. Es besteht aber auch die Möglich¬ keit, den dritten Strompfad direkt an den Eingang 1 anzuschließen und die Leitfähigkeit der Bauteile vom Verstärkerausgang 4 abzuleiten.

Die Software, die den Multiplexer 7 steuert, hat zum einen die Aufgabe, jeweils festzustellen, welcher der Signalbereichsaus¬ gänge 4, 11, 14, 26, 31 einen gültigen Signalwert liefert, der zur Meßwertbildung herangezogen wird. Geht man vom empfindlich¬ sten Signalbereichsausgang 14 aus, dann kann beispielsweise anhand einer Bereichsüberschreitung der richtige Wert gefunden werden. Lediglich beim Übergang vom unempfindlichsten Strombe¬ reichsausgang 4 der ersten Verstärkergruppe (2, 9, 13) zum empfindlichsten Ausgang 31 der zweiten Verstärkergruppe (25, 29) muß bereits innerhalb des Bereichs, der dem Ausgang 31 zugeordnet ist, gemessen werden, da der Strombereichsausgang 4 nach dem Übergang auf einer Spannung gehalten wird, die im linearen Bereich liegt. Zu den gemessenen Signalen an den Ausgängen 26 und 31 muß das gemessene Signal am Ausgang 4 addiert werden, um ein dem Eingangsstrom proportionales Ausgangssignal zu erhalten. Auch diese Funktion nimmt die den Multiplexer 7 steuernde Software wahr. Mit Hilfe des Analog-Digital-Wandlers 38 erfolgt die Aufbereitung der Signale für den sich anschließenden Prozessor.

In Fällen, in denen der Eingangsstrom sich derart rasch über viele Dekaden ändert, daß die Speicherzeiten der Dioden 18 und 19 sich störend bemerkbar machen, kann durch Einfügen eines Schal¬ ters (z.B. Feldeffekt-Transistor) in die Leitung 17, der bei Strömen abschaltet, bei denen die Dioden 18 und 19 nicht leitend sein sollten, der Einfluß weitgehend vermieden werden. Als Rückkoppelbauteile 3 und 22 der Operationsverstärker 2 und 21 sind Widerstände dargestellt. Es können auch - vorzugsweise - Kondensatoren oder nichtlineare Bauteile eingesetzt werden. Wesentlich ist, daß sich durch die Wahl der Rückkoppelbauteile eine gleichstufige Bereichserweiterung ergibt, d.h., daß die Stufe eines höheren Strombereichs um den Faktor V über der letzten Stufe des niedrigeren Bereichs liegt. Der Verstärkungs¬ faktor V hängt von der gewünschten Auflösung im Übergangsbereich ab. Je kleiner dieser gewählt wird, um so kleiner wird auch die Auflösung jeweils zu Anfang eines jeden Bereichs. Sind beispiels¬ weise fünf Ausgänge vorhanden, dann ergibt sich:

maximaler Strom maximaler Wert ADC s v * V * V * V *

Strom-Auflösung Auflösung ADC

Wenn für V = 31.6 gewählt wird ergibt sich bei einem 12 Bit ADC und bipolarer Strommessung als Verhältnis:

maximaler Strom = 31.6 * 31.6 * 31.6 * 31.6 * (+-2048)

Strom-Auflösung

= +- 2,048 E 9

Figur 2 zeigt ein Dimensionierungsbeispiel für eine Schaltung nach Figur 1 für die Messung von Strömen, die von positiv gela¬ denen Teilchen erzeugt werden. Bezüglich der Dioden 34, 35, welche den Übergang von der Meßwertbildung mit Hilfe eines einzigen Signals auf die Meßwertbildung durch ein Summensignal bestimmen, gilt folgendes: Wenn der AD-Wandler 38 für eine maximale Spannung von 5 V ausgelegt ist, sollte die ArbeitsSpannung der Dioden 34 und 35 etwas geringer sein als z.B. 4,7 V, d.h., der Eingangsstrom wäre im Übergangsbereich

4,7 V + Diodenflußspannung (D 34, 35)

I =

Widerstand 3

Beim Überschreiten bestimmter Spannungswerte geht der Multiplexer über zum nächsten Eingang. Die Vorgehensweise ist die folgende: Die Software liest den empfindlichsten Eingang ein. Wenn der eingelesene Wert dem Endwert des AD-Wandlers entspricht, muß der Multiplexer auf den nächstunempfindlicheren Kanal geschaltet und nochmals ein Wert eingelesen werden. Dies wird solange fortge¬ setzt, bis der AD-Wandler nicht mehr auf seinem Endwert steht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Messung von Strömen, dadurch gekennzeichnet, daß Ströme mit sehr kleinen Stromstärken mittels hinterein¬ ander angeordneter Verstärker (2, 9, 13) mindestens einmal verstärkt werden, daß an den Ausgängen (4, 11, 14) dieser Verstärker Signale zur Bildung von Meßwerten aus verschie¬ denen Strombereichen abgenommen werden, daß Ströme mit größeren Stromstärken über ein oder mehrere Bauteile (18, 19), deren Leitfähigkeit sich ändert, in mindestens einen weiteren Strompfad für höhere Ströme geleitet werden, daß die Änderung der Leitfähigkeit des oder der Bauteile (18, 19) vom Verstärkerausgangssignal (4) einer der vorherigen Stufen abgeleitet wird, daß dieses Verstärkerausgangssignal (4) des Verstärkers (2) sich dann nur noch soweit ändert, bis die Bauteile (18, 19) eine ausreichende Leitfähigkeit besitzen, daß das Eingangspotential des weiteren Strompfades während des Fließens eines höheren Stromes eine etwas abweichende Spannung besitzt und daß der Strompfad für höhere Ströme mindestens einen Ausgang (23) zur Bildung von Meßwerten für weitere Strombereiche enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die von den Strombereichsausgängen (4, 11, 14 und 26, 31 bzw. 23, 37) der Verstärker gelieferten Signale einem Multiplexer (7) zugeführt werden und daß ein Analog-Digital-Wandler (38) die Ströme umwandelt, die in einer Softwareroutine zur weiteren Bearbeitung und Steuerung des Multiplexers benutzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ströme mit kleinen Stromstärken dem Eingang eines ersten Operationsverstärkers (2) zugeführt werden, daß die Span¬ nungsausgangssignale des Operationsverstärkers sowohl dem Multiplexer (7) direkt als auch einem Verstärker (9) zuge¬ führt werden, daß Ströme mit größeren Stromstärken durch Erniedrigung der Leitfähigkeit der Bauteile (18, 19) in einen dem ersten Operationsverstärker (2) zugeführten Konstantanteil und einen in einem weiteren Strompfad geführ¬ ten Überschußanteil aufgeteilt werden und daß die von den Signalbereichsausgängen (4, 11, 14 und 26, 31 bzw. 23, 37) der Verstärker (2, 9, 13 und 25, 29 bzw. 21) gelieferten Signale dem Multiplexer (7) zugeführt werden.

4. Verf hren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ströme mit kleinen Stromstärken dem Eingang eines ersten Operationsverstärkers (2) zugeführt werden und daß Ströme mit größeren Stromstärken durch Erniedrigung der Leitfähig¬ keit der Bauteile (18, 19) und Erhöhung der Leitfähigkeit des Bauteiles (3) ganz oder annähernd ganz im weiteren Strompfad geführt werden.

5. Verfahren nach Anspruchs 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß bei fehlendem Eingangsstrom alle von den Bereichs¬ ausgängen gelieferten Werte gemessen und registriert werden und daß beim nachfolgenden Messen von Eingangsströmen diese Werte als Offsetwerte subtrahiert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die FehlerSpannung an dem Ausgang (23) des (der) Operationsverstärker (21) mit dem Multiplexer (7) verbunden ist und daß der Fehler in der Software korrigiert wird.

7. Schaltung zur Durchführung der Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang eines ersten Operationsverstärkers (2) den Signal- eingang (1) bildet, daß sich an den Ausgang (4) dieses' Operationsverstärkers (2) ein oder mehrere, in Reihe ge¬ schaltete Verstärker (9, 13) anschließen können, daß das (die) Bauteil(e) (18, 19) an den Ausgang (4) einer der vorherigen Stufen des Operationsverstärkers (2) angeschlos¬ sen ist/sind, und daß der Signaleingang bei Strömen mit größeren Stromstärken über das (die) dann leitende(n) Bauteil(e) (18, 19) mit dem Eingang eines weiteren Operati¬ onsverstärkers (21) verbunden ist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalausgänge (4, 11, 14 und 26, 31 bzw. 23, 37) der Verstärker mit einem Multiplexer (7) verbunden sind und daß ein Analog-Digital-Wandler (38) daran angeschlossen ist.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß für die Bauteile (18, 19) Dioden benutzt werden, die durch Spannungsänderung am nichtinvertierenden Eingang des weiteren vom Operationsverstärker (21) gebildeten Strom¬ pfades ihre Leitfähigkeit ändern, und daß ein Differenz¬ verstärker vorgesehen ist, mit dem die der Flußspannung der Dioden entsprechende Fehlerspannung an dem Ausgang (23) des Operationsverstärkers (21) korrigiert wird.

10. Schaltung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (4) des Operationsverstärkers (2) eine Leitung (33) mit weiten nichtlinearen Bauteilen, z.B. Zener-Dioden, und einem geerdeten Widerstand (36) angeschlos-

. sen ist, die die Spannungsänderung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (21) verursachen.

11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Verstärkerzweig, z.B. zwischen dem Ausgang (4) des ersten Operationsverstär¬ kers (2) und dem Eingang des Multiplexers (7) bzw. dem Eingang des sich anschließenden Verstärkers (9), ein Tiefpaß (6) angeordnet ist.

12. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens einer der Rückkoppelbauteile (3, 22) für die Operationsverstärker (2, 21) Kondensatoren eingesetzt werden.

13. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens einem der Rückkoppelbau¬ teile (3, 22) für die Operationsverstärker (2, 21) Kennli¬ nienbauteile, z.B. Dioden, eingesetzt werden, um eine logarithmische Kennlinie zu erhalten.

14. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bauteile (18, 19) mindestens ein Feldeffekt-Transistor und/oder Dioden benutzt werden, daß die Feldeffekt-Transistoren durch den Ausgang (4) des Operationsverstärkers (2) bzw. einer der vorherigen Stufen ihre Leitfähigkeit ändern.

15. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Rückkoppelbauteile (3, 22) für die Operationsverstärker (2, 21) über einen Spannungsteiler am Operationsverstärkerausgang angeschlossen ist.