WO2021000998A1 - Device for non-contact voltage measurement - Google Patents

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WO2021000998A1
WO2021000998A1 PCT/DE2020/100575 DE2020100575W WO2021000998A1 WO 2021000998 A1 WO2021000998 A1 WO 2021000998A1 DE 2020100575 W DE2020100575 W DE 2020100575W WO 2021000998 A1 WO2021000998 A1 WO 2021000998A1
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voltage
amplifier
output
sample
frequency
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Application number
PCT/DE2020/100575
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Dittrich
Michael Franke
Original Assignee
Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/002—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the work function voltage
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/16—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using capacitive devices

Definitions

  • the invention relates to a device for contactless broadband
  • non-contact voltage measurement of samples are suitable.
  • All devices have in common that they are either only set up and provided to determine direct voltage, or only to determine a slowly changing sample voltage, or to only detect high-frequency voltage change of a sample.
  • the most well-known measurement methods and devices include the so-called field mill, which was developed to record the (slowly changing) air electricity in aviation and meteorology.
  • the field mill can detect changes in the range of seconds.
  • the field mill does not record faster voltage changes.
  • Arrangements with capacitive signal decoupling from the sample are preferably used to detect rapid changes in potential.
  • a measuring capacitor consisting of the sample IS, the measuring electrode 2S and a thin insulator in between, e.g. an insulating film f made of mica or plastic, is formed. In this sense the measurement is the
  • a so-called field mill is disclosed in US 2006/0279290 ° A1, for example. This includes a set of electrodes and shields as well as means for their movement, a voltage measurement and a means for fault current compensation.
  • AT 389 012 B also discloses a field mill which, by means of a special measuring method and an associated device, eliminates
  • Zero point errors is improved. This is done by measuring with the measuring electrode and impeller positioned differently from one another.
  • US Pat. No. 4,928,05 Another device for contactless voltage measurement is disclosed in US Pat. No. 4,928,05.
  • the associated measuring method is based on tracking a reference potential and thus almost the entire circuit of the sample voltage to be measured.
  • a number of modules are connected in series, which limits the speed or bandwidth that can be achieved.
  • the device is characterized by a special measuring probe which faces a sample surface to be tested and is formed from a transparent carrier, a first conductive, transparent film on part of the surface of the carrier which forms the detector electrode, and a second conductive, transparent film Film on the remainder of the surface of the carrier which is spaced from the first film and means for modulation connected to the carrier for modulating the capacitive coupling between the detector electrode and the surface bearing the electrostatic quantity.
  • the invention is therefore based on the object of providing a device that can determine sample voltages over the entire frequency range without a
  • the measuring mode has to be switched or the sample has to be brought from one measuring station to another.
  • the problem according to the invention is provided by a device for contactless
  • a device for non-contact voltage measurement on a sample for transient, time-varying and constant voltages has at least the following components:
  • a conductive measuring probe in particular a measuring electrode
  • a generator which is connected in particular to the measuring probe, and which is set up to move the measuring probe back and forth at least along one axis with a generator frequency, so that an electrical in the measuring probe when it is brought into the vicinity of a sample Probe current is generated,
  • An amplifier in particular an operational amplifier, which is connected to a first, in particular inverting, amplifier input with the measuring probe, and is set up to convert the probe current into an in particular inverted amplifier voltage, and to provide this amplifier voltage at an output of the amplifier, that is to say in particular to output it,
  • a rectifier connected to the output of the amplifier in particular a phase-synchronous rectifier, the rectifier also being connected to the generator, and which is set up to rectify the amplifier voltage, in particular phase-synchronously to the generator frequency, and to provide the rectified voltage at an output of the rectifier for further signal processing ,
  • a controller connected to the output of the rectifier, wherein an output of the controller is connected to the measuring probe, the sample, in particular via a sample holder of the device, or to a second, in particular non-inverting, amplifier input of the amplifier, and the controller is set up to do so to output a regulator voltage to an output of the regulator, in particular in the form of a DC voltage, which the
  • the invention is further characterized in that a) the amplifier has a lower limit frequency that is lower, in particular at least five times lower, than the generator frequency, b) the amplifier has an upper limit frequency that is higher, in particular at least five times higher than that Generator frequency and that c) the device is set up to provide the amplifier voltage at a first output of the device for the amplifier voltage L / AC or a component, in particular an equalizer, filter or summer of the device, so in particular to output and c ') where the device in particular is further set up to provide the regulator voltage at a second output of the device or a component, in particular an equalizer, filter or summator of the device.
  • the device according to the invention makes it possible to determine constant, slowly varying and / or high-frequency electrical direct or alternating voltage on a sample over a very large frequency spectrum, for example between 0 Hz and several 100 MFIz.
  • Such a device is particularly suitable for measuring photovoltaic elements as a sample that are exposed to light conditions that vary over time during the voltage measurement with the device.
  • the sample tension is in particular a surface tension or a
  • the device according to the invention is able to reliably, robustly and quickly detect sample voltages in the range from a few pV, for example 10 pV up to the 3-digit volt range, for example 100 V.
  • sample voltages in the range from a few pV, for example 10 pV up to the 3-digit volt range, for example 100 V.
  • insulators, semiconductors of all types and metals can also be measured as samples.
  • the measuring probe is or comprises, for example, a Kelvin probe.
  • the generator is designed in particular to send control signals to a motor (e.g. electromagnet, piezoelectric or electrostatic drive) that is operatively connected to the measuring probe, so that the measuring probe is moved along the at least one axis by the motor according to the control signals.
  • a motor e.g. electromagnet, piezoelectric or electrostatic drive
  • the generator is in particular a frequency generator, the generator frequency of which can in particular be set.
  • the generator frequency and thus the frequency with which the measuring probe can be moved along the at least one axis is advantageously in the range of 10 Hz and 750 Hz, in particular in the range of 50 Hz to 400 Hz.
  • the amplifier can comprise an operational amplifier, which is in particular an inverting amplifier.
  • the amplifier is set up in particular to use the probe current from the
  • Measuring probe output a correlated amplifier voltage.
  • the amplifier is designed with an upper limit frequency that is between 1 MHz and 100 MHz (broadband).
  • a device which is only designed for the detection of direct voltages of a sample does not include an amplifier with such a bandwidth, but a comparatively narrow-band amplifier, i.e. for example one with a bandwidth between 10 Hz and 1 kHz.
  • the amplifier is connected to a rectifier, which can be a multiplier, for example.
  • the rectifier is set up to rectify the amplifier voltage, in particular phase-synchronously (phase-synchronous rectifier) to the generator frequency.
  • To the rectifier is also connected to the generator to capture the generator frequency.
  • the amplifier signal is also output at a first output of the device, which is the device or on it
  • the amplifier signal is further processed by components contained in the device.
  • the device is therefore part of a system which is designed for the non-contact voltage measurement of a sample, namely the further processing components equalizer and summator, which are connected via the first and / or second output of the device.
  • an equalizer and / or the adder can also be implemented using a processor or a computer with appropriate software and inputs.
  • Sample voltage components and the simultaneous further processing of the amplifier signal with regard to the DC voltage components of the sample voltage via the rectifier and its downstream components the complete detection of the sample voltage over a frequency range that is very broad compared to the prior art, from 0 Hz (direct voltage) up to 10 MFIz or 100 MFIz and includes larger.
  • Sample voltage components happen via a control circuit which, by means of the controller, whose control signal, i.e. the controller (DC) voltage, serves to either compensate for the voltage of the capacitor formed by the sample and the measuring probe, so that the probe current no longer flows, or directly the To neutralize sample voltage.
  • the controller whose control signal, i.e. the controller (DC) voltage, serves to either compensate for the voltage of the capacitor formed by the sample and the measuring probe, so that the probe current no longer flows, or directly the To neutralize sample voltage.
  • the rectified voltage at the output of the rectifier tends to zero, and so does the regulator voltage.
  • This control process usually takes between 50 ms and one second.
  • the limit frequencies of the amplifier are in particular significantly larger or smaller than the generator frequency, which is the case with the above
  • the amplifier voltage and / or the regulator voltage can be converted by the components for further signal processing, equalizers and summers into digital signals by an integrated or separate A / D converter.
  • the amplifier can have a virtual ground at the input of the amplifier.
  • the amplifier can furthermore have an RC element which defines the lower limit frequency of the amplifier.
  • the RC element has in particular an ohmic resistance in the order of magnitude of a teraohm and a capacitor with a capacitance between 0.1 pF and 1 pF.
  • the capacitor can also simply consist of the stray capacitance of the ohmic resistance in the amplifier.
  • the gain factor of the amplifier results in particular from the ratio of the capacitor of the RC element and the capacitance of the capacitor formed from the sample and the measuring probe.
  • the amplifier can be a current-voltage converter, in particular a
  • the equalizer is with the first output of the device and / or with the
  • Amplifier output connected or connectable, the equalizer being set up to modify the amplifier voltage at least temporarily as if the amplifier had a lower lower limit frequency, in particular a lower limit frequency of less than 10 Hz, in particular 0 Hz, the equalizer having an output, where the modified amplifier voltage is provided, wherein the device comprises in particular the equalizer.
  • the equalizer can be designed to the amplifier voltage with respect to the
  • the function of the equalizer can be carried out by a processor or a computer with an appropriate computer program, or by an appropriate hardware circuit.
  • the equalizer can have an adjustable gain, in particular around the
  • the device is also connected via the first and second output of the device to a summer, which is designed to add the amplifier voltage or the modified and in particular corrected amplifier voltage from the equalizer and the regulator voltage to an output voltage and output and in particular to output the output voltage to one To provide the sum output of the adder, the device in particular comprising the adder.
  • the adder is particularly designed to process digital signals so that the regulator voltage can also be digitized at a suitable point.
  • the sum signal then corresponds to the sample voltage and, to the same extent as the sample voltage, contains its transient, high-frequency, low-frequency and direct voltage components.
  • the lower limit frequency is at least 100 times, in particular 1,000 times, smaller than the generator frequency.
  • the upper limit frequency is at least 1,000 times, in particular at least 100,000 times greater than that
  • the output of the controller is either connected directly to the sample or the output of the controller is connected to the measuring probe via a resistor so that the controller voltage is applied to the corresponding component.
  • the device has a
  • Signal generator on or can be connected to a signal generator
  • Signal generator is set up to apply a predefined test signal, in particular an alternating voltage having a constant amplitude, to the sample or the conductive sample holder, so that from the comparison of the test signal with the
  • Amplifier voltage at the amplifier output an AC voltage gain of the amplifier can be determined.
  • a capacitor for capacitive separation from the regulator voltage can be arranged at the input of the amplifier, provided that this is fed to the measuring probe.
  • the controller is in particular an I-controller.
  • FIG. 1 shows a circuit with the components according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a further circuit with the components according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit of an exemplary embodiment of the device 100 according to the invention.
  • a sample 1 for example a metal or a semiconductor, is arranged on a sample holder 1b, the sample holder 1b being conductive and being in contact with the sample.
  • the sample 1 itself is not part of the device 100, whereas the sample holder 1b can be part of the device 100.
  • the sample holder 1b is set up to hold various samples.
  • a sample 1 within the meaning of the invention can for example be a photovoltaic element.
  • the sample holder 1b is grounded via a capacitor 4 for the floch frequency and can be supplied with a voltage, e.g. constant or slow, via a conductive connection 9
  • the device 100 comprises a conductive measuring probe 2, for example in the form of an electrode.
  • the measuring probe 2 can be designed as a conductively coated and optically transparent element, for example as a partially coated glass cylinder, so that the sample 1 can be exposed to light by the measuring probe 2.
  • the device 100 can furthermore have an evaluation unit (not shown) which outputs the times in which the sample 1 was exposed to light, in particular so that these times can be correlated with an output signal of the device.
  • an evaluation unit not shown
  • the device can furthermore comprise a light source (not shown) which is set up to apply light to the sample, wherein the light source can in particular be modulated and in particular can emit pulsed light.
  • a light source (not shown) which is set up to apply light to the sample, wherein the light source can in particular be modulated and in particular can emit pulsed light.
  • the device 100 is set up to measure and output the amplitude and time profile of this sample voltage Up on the sample 1, so that information about the
  • voltages are specified in particular in relation to a common ground potential of the device 100, such as, for example, to a ground.
  • the time curve of the sample voltage U P can contain frequency components between zero Hertz, that is to say direct voltage, and a few hundred MHz, the device being set up to detect the sample voltage U P over the entire frequency range.
  • the device 100 is set up to measure sample voltages U P im
  • the measuring probe 2 of the device 100 can be moved up and down.
  • a generator of the device is set up to output such a control signal and thus to move the measuring probe up and down, in particular at a generator frequency in the range of 20 Hz to 500 Hz, the variations in distance between measuring probe 2 and sample 1 are small compared to an average measuring probe-sample distance, eg 10% or less.
  • the generator amplitude can be adjustable.
  • the up and down movement of the measuring probe 2 is performed, for example, with a motor connected to the generator 3 (e.g.
  • Electromagnet, electrostatic or piezoelectric drive (not shown) achieved.
  • the measuring probe 2 is connected to an input of an inverting charge amplifier 6 and the probe current is fed to this amplifier 6 through this input.
  • the amplifier 6 can be described by the equivalent circuit diagram of the dashed box. It shows an operational amplifier and an RC element.
  • the ohmic resistance 60 of the RC element is typically as high as possible, with a resistance value R RC of one teraohm (1 TW) typically being able to be selected due to increasing manufacturing tolerances in the case of very high resistance.
  • the capacitance C K of the capacitor 6C of the RC element is advantageously selected in the range from 0.1 pF to 1 pF.
  • the capacitor 6C can be present or can result from a stray capacitance of the ohmic resistor 60.
  • the capacitor 12 formed from the sample 1 and the measuring probe 2 determines the gain value of the amplifier 6 with the amplifier capacitor 60 for high-frequency and transient components of the sample voltage Up.
  • the amplifier voltage L / A c that can be picked up at an amplifier output of amplifier 6 has the size:
  • UAC - - Up Cuift / CK Crn ft denotes the capacitance between sample 1 and electrode 2, the gap between sample and electrode being filled with air, gases, insulating liquids or a vacuum there, depending on the design.
  • the output of the amplifier is also connected to electrical and / or electronic components that enable the detection of precisely these low-frequency sample voltage components.
  • the amplifier output is connected to a rectifier 7, here in the form of an analog multiplier.
  • the rectifier 7 is set up under
  • Change in distance of the measuring probe 2 is generated from the DC component of the sample voltage Up.
  • the rectifier 7 has an output connected to a regulator 8, the regulator being designed, for example, as an integrating regulator, I-regulator for short, and a
  • the transfer factor G of the controller 8 is variably adjustable.
  • the control process is accelerated by increasing k. Depending on the setting, the control process takes about 10 to 100 times as long as the reciprocal of the generator frequency.
  • the regulator regulates the rectified voltage from the rectifier 7 present at the input of the regulator by outputting a regulator voltage Uoc to zero.
  • the I-controller integrates the control deviation and then determines the controller voltage U D c at the output of the controller.
  • the regulator voltage UD C of the regulator 8 is fed to the sample holder and thus to an underside of the sample 1 via a conductive connection 9, whereby the control loop is closed.
  • the regulator voltage Uoc After a sudden change in the sample voltage Up, the regulator voltage Uoc will take a curve according to FIG. 2C. After the controller 8 has settled, the controller voltage Uoc corresponds exactly to the DC component of the sample voltage Up, regardless of the distance between sample 1 and measuring probe 2.
  • Amplifier voltage L / A c (combined) U AC ⁇ C K / C air is generated.
  • the equalizer can in particular be set up to correct the amplifier voltage using the correction factor.
  • the device according to FIG. 1 also has a summer 11.
  • the adder 11 can be an integral part of the device or be connected via a first output 21 for the amplifier voltage U A c or the corrected amplifier voltage L / AC (combined) of the device 100 and a second output 22 for the regulator voltage Uoc.
  • the adder 11 is arranged in such a way that it corrects the amplifier voltage U A or the
  • Amplifier voltage L / AC (combined) taps Furthermore, the adder 11 also picks up the regulator voltage Uoc.
  • Output voltage handling at output 24 of the adder corresponds to the time curve of the sample voltage Up to be measured on the sample and contains all frequency components from zero to the upper limit frequency (10 MFIz to 100 MFIz or greater) of amplifier 6.
  • the output voltage Um gang at the output 24 of the summer 11 is then temporarily falsified.
  • the device 100 has an equalizer 10 which is set up to correct or compensate for this error.
  • the equalizer 10 is arranged between the amplifier and the summer 11, and picks up the amplifier voltage DAC at the output of the amplifier 6 and has an output 23.
  • the equalizer 10 can comprise an electronic circuit which corresponds to the circuit diagram shown in FIG. 2F. ⁇
  • resistor RE and capacitor C E (of the equalizer)
  • the transfer function of this Flardware equalization is now reciprocal to the transfer function of the combination of Cm ft and amplifier 6 and compensates for it. After a few seconds at the latest, if the
  • Controller voltage UD C has fully settled, switch S E is closed again.
  • the switch S E can in particular be controlled automatically.
  • the equalizer can also be implemented using a computer or processor module with a corresponding computer program, so that the described equalization can also be carried out on the software side, in particular using digitized values for the amplifier voltage L / AC, these values being fed to the computer or processor via an input and the equalized voltage being fed to the summer 11 from an output of the equalizer 10.
  • Fig. 3 an alternative embodiment, the second embodiment, of the device is shown. Reference is therefore made to the previous paragraphs with regard to components that have already been explained and are identical.
  • the regulator voltage Uoc is not applied to the sample, but rather applied to the measuring probe 2 via a conductive connection 9 ', in particular by the voltage on the through the measuring probe 2 and the sample 1 to compensate formed capacitor 12, so to bring to zero.
  • a capacitive decoupling capacitor 5 arranged in front of the amplifier 6 to the
  • Regulator voltage U D c which is applied to the measuring probe 2 via the lead connection 9 ', is not amplified by the amplifier 6.
  • a resistor 14 in the lead connection 9 ′ serves to ensure that the probe current from the sun does not flow via the lead connection 9 ′, but is almost completely fed to the amplifier 6.
  • the regulator 8 is a regulator voltage Uoc on the measuring probe 2, which the voltage of the through the

Abstract

The invention relates to a device for non-contact voltage measurement on a sample (1) for transient, time-variable and constant voltages, wherein the device comprises at least the following components: a conductive measuring probe (2), a generator (3) configured to move the measuring probe back and forth at least along an axis at a generator frequency, such that when the measuring probe (2) is brought into the vicinity of a sample (1), an electric probe current is generated in said measuring probe; an amplifier (6), which is connected to the measuring probe by a first amplifier input and is configured to convert the probe current into an amplifier voltage, and to provide said amplifier voltage at an output of the amplifier; a rectifier (7) connected to the output of the amplifier (6), wherein the rectifier (7) is furthermore connected to the generator (3), a controller (8) connected to the rectifier (7), wherein an output of the controller (8) is connected to the measuring probe (2), the sample (1) or to a second amplifier input of the amplifier (6), and wherein the controller (8) is configured to output at an output of the controller (8) a controller voltage that counteracts the rectified voltage of the rectifier (7), specifically such that the rectified voltage of the rectifier (7) vanishes, wherein the amplifier (6) has a lower limit frequency that is less than the generator frequency, and an upper limit frequency that is greater than the generator frequency, and wherein the device (100) is configured to provide the amplifier voltage at a first output (21) of the device for the amplifier voltage or a component (10, 11) of the device (100), wherein an equalizer (10) is connected to the first output of the device (21) and/or to the amplifier output, and wherein the equalizer (10) is configured to modify the amplifier voltage as if the amplifier (6) had a lower limit frequency of less than 10 Hz, and wherein the equalizer (10) has an output (23), at which the modified amplifier voltage is provided, and wherein the device (100) is connected to a summer (11) via the first output (21) and a second output for the controller voltage (22) of the device (100), said summer being configured to add the modified amplifier voltage from the equalizer (10) and the controller voltage to form an output voltage and to output the latter and to provide the output voltage at a summation output (24) of the summer (11).

Description

Vorrichtung zur berührungslosen Spannungsmessung Device for non-contact voltage measurement
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein eine Vorrichtung zur berührungslosen breitbandigen The invention relates to a device for contactless broadband
Spannungsmessung einer Probe. Stress measurement of a sample.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, die zur Various devices are known from the prior art which are used for
berührungslosen Spannungsmessung von Proben geeignet sind. non-contact voltage measurement of samples are suitable.
Alle Vorrichtungen haben gemein, dass sie entweder lediglich dazu eingerichtet und vorgesehen sind Gleichspannung, oder nur eine langsam veränderliche Probenspannung zu ermitteln oder ausschließlich hochfrequente Spannungsänderung einer Probe erfassen. All devices have in common that they are either only set up and provided to determine direct voltage, or only to determine a slowly changing sample voltage, or to only detect high-frequency voltage change of a sample.
Die bekanntesten Messverfahren und Vorrichtungen sind unter anderem die sogenannte Feldmühle, die zur Erfassung der (langsam veränderlichen) Luftelektrizität in der Luftfahrt und Meteorologie entwickelt wurde. Die Feldmühle kann Änderungen im Bereich von Sekunden erfassen. Schnellere Spannungsänderungen werden von der Feldmühle nicht erfasst. The most well-known measurement methods and devices include the so-called field mill, which was developed to record the (slowly changing) air electricity in aviation and meteorology. The field mill can detect changes in the range of seconds. The field mill does not record faster voltage changes.
Zur Erfassung von schnellen Potentialänderungen werden vorzugsweise Anordnungen mit kapazitiver Signalauskopplung von der Probe verwendet. Arrangements with capacitive signal decoupling from the sample are preferably used to detect rapid changes in potential.
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung aus dem Stand der Technik. Für die kapazitive Signalauskopplung wird zunächst ein Messkondensator, bestehend aus der Probe IS, der Messelektrode 2S und einem dünnen Isolator dazwischen, z.B. einer isolierenden Folie f aus Glimmer oder Kunststoff, gebildet. In diesem Sinne ist die Messung der 4 shows an exemplary device from the prior art. For the capacitive signal decoupling, a measuring capacitor consisting of the sample IS, the measuring electrode 2S and a thin insulator in between, e.g. an insulating film f made of mica or plastic, is formed. In this sense the measurement is the
Oberflächenspannung mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 4 nicht wirklich berührungslos. Die zeitlichen Änderungen der Oberflächenspannung der Probe werden über einen nachfolgenden schnellen Elektrometerverstärker B, der einen möglichst sehr hohen Eingangswiderstand hat, rückwirkungsarm auf ein Messgerät übertragen und als Spannung gemessen. Es wird angestrebt, die elektrische Kapazität Cf zwischen Probe und Elektrode möglichst groß gegenüber der Eingangskapazität Ce des Verstärkers zu bemessen, um Messfehler infolge kapazitiver Spannungsteilung (Cf/(Cf+Ce) gering zu halten. Wenn die elektrische Bandbreite des Verstärkers B groß genug ist, können auch sehr schnelle Änderungen der Oberflächenspannung Up (Probenspannung) gemessen werden, bis in den hohen MHz-Bereich. Prinzip bedingt kann mit Vorrichtungen gemäß Fig. 4 aber keine Gleichspannung erfasst werden, da stets nur Veränderungen der Oberflächenspannung der Probe, nicht jedoch deren Absolutwert messbar ist. Wenn eine Messung im gesamten Frequenzbereich von Gleichspannung (0 Hz) bis hin zu Frequenzen von 10 - 100 MFIz, und größer, erfolgen soll, so muss die Probe nacheinander in zwei getrennten Vorrichtungen vermessen, d.h. in ihrer Position stark verändert, werden. Das ist umständlich und erlaubt zudem oft keinen unmittelbaren Vergleich aufgrund verschiedener Messprinzipien, Apparaturen und unterschiedlicher Kontaktflächen. Surface tension with a device according to FIG. 4 is not really contactless. The temporal changes in the surface tension of the sample are transmitted to a measuring device with little feedback via a subsequent fast electrometer amplifier B, which has an input resistance that is as high as possible, and measured as a voltage. The aim is to measure the electrical capacitance C f between the sample and the electrode as large as possible compared to the input capacitance C e of the amplifier in order to keep measurement errors due to capacitive voltage division (C f / (C f + C e ) low. If the electrical bandwidth of the Amplifier B is large enough, very rapid changes in the surface tension Up (sample tension) can also be measured up to the high MHz range. Due to the principle, however, no direct voltage can be detected with devices according to FIG. 4, since only changes in the surface tension of the sample can be measured, but not its absolute value. If a measurement is to be carried out in the entire frequency range from DC voltage (0 Hz) up to frequencies of 10-100 MFIz and higher, the sample must be measured one after the other in two separate devices, ie its position must be greatly changed. This is cumbersome and often does not allow a direct comparison due to different measuring principles, equipment and different contact surfaces.
In der US 2006/0279290°Al ist beispielsweise eine sogenannte Feldmühle offenbart. Diese umfasst eine Zusammenstellung von Elektroden und Abschirmungen sowie Mittel zu deren Bewegung, eine Spannungsmessung und ein Mittel zur Fehlstromkompensierung. A so-called field mill is disclosed in US 2006/0279290 ° A1, for example. This includes a set of electrodes and shields as well as means for their movement, a voltage measurement and a means for fault current compensation.
In der AT 389 012 B ist ebenfalls eine Feldmühle offenbart, welche durch ein besonderes Messverfahren und eine dazugehörige Vorrichtung durch die Beseitigung von AT 389 012 B also discloses a field mill which, by means of a special measuring method and an associated device, eliminates
Nullpunktfehlern verbessert ist. Dies erfolgt durch die Messung bei unterschiedlich gegeneinander positionierten Messelektrode und Flügelrad. Zero point errors is improved. This is done by measuring with the measuring electrode and impeller positioned differently from one another.
Eine weitere Vorrichtung zur berührungslosen Spannungsmessung ist in der US 4,928,05 offenbart. In dieser beruht das zugehörige Messverfahren darauf, ein Referenzpotential und damit fast die gesamte Schaltung der zu messenden Probenspannung nachzuführen. Hierfür liegen eine Reihe von Baugruppen schaltungstechnisch in Reihe, wodurch die erreichbare Geschwindigkeit bzw. Bandbreite begrenzt ist. Die Vorrichtung zeichnet sich dabei durch eine spezielle Messsonde aus, welche einer zu testenden Probenoberfläche zugewandt ist und gebildet ist aus einem transparenten Träger, einem ersten leitenden, transparenten Film auf einem Teil der Oberfläche des Trägers, welcher die Detektorelektrode bildet, einem zweiten leitenden, transparenten Film auf dem Rest der Oberfläche des Trägers welcher beabstandet zu dem ersten Film angeordnet ist und Mittel zur Modulation, die mit dem Träger verbunden sind, um die kapazitive Kopplung zwischen der Detektorelektrode und der Oberfläche, die die elektrostatische Größe trägt, zu modulieren. Another device for contactless voltage measurement is disclosed in US Pat. No. 4,928,05. In this, the associated measuring method is based on tracking a reference potential and thus almost the entire circuit of the sample voltage to be measured. For this purpose, a number of modules are connected in series, which limits the speed or bandwidth that can be achieved. The device is characterized by a special measuring probe which faces a sample surface to be tested and is formed from a transparent carrier, a first conductive, transparent film on part of the surface of the carrier which forms the detector electrode, and a second conductive, transparent film Film on the remainder of the surface of the carrier which is spaced from the first film and means for modulation connected to the carrier for modulating the capacitive coupling between the detector electrode and the surface bearing the electrostatic quantity.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die über den gesamten Frequenzbereich Probenspannungen ermitteln kann, ohne dass eine The invention is therefore based on the object of providing a device that can determine sample voltages over the entire frequency range without a
Umschaltung des Messmodus vorgenommen werden muss oder die Probe von einer Messstation zu einer anderen gebracht werden muss. Das erfindungsgemäße Problem wird durch eine Vorrichtung zur berührungslosen The measuring mode has to be switched or the sample has to be brought from one measuring station to another. The problem according to the invention is provided by a device for contactless
Spannungsmessung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben. Voltage measurement according to claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims and are described below.
Danach ist vorgesehen, dass eine Vorrichtung zur berührungslosen Spannungsmessung an einer Probe für transiente, zeitveränderliche und konstante Spannungen, zumindest die folgenden Komponenten aufweist: It is then provided that a device for non-contact voltage measurement on a sample for transient, time-varying and constant voltages has at least the following components:
Eine leitfähige Messsonde, insbesondere eine Messelektrode, A conductive measuring probe, in particular a measuring electrode,
Einen Generator, der insbesondere mit der Messsonde verbunden ist, und der dazu eingerichtet ist, die Messsonde zumindest entlang einer Achse mit einer Generatorfrequenz hin und her zu bewegen, so dass in der Messsonde , wenn diese in die Nähe einer Probe gebracht wird, ein elektrischer Sondenstrom erzeugt wird, A generator, which is connected in particular to the measuring probe, and which is set up to move the measuring probe back and forth at least along one axis with a generator frequency, so that an electrical in the measuring probe when it is brought into the vicinity of a sample Probe current is generated,
Einen Verstärker, insbesondere ein Operationsverstärker, der mit einem ersten insbesondere invertierenden Verstärkereingang mit der Messsonde verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, den Sondenstrom in eine insbesondere invertierte Verstärkerspannung umzuwandeln, und diese Verstärkerspannung an einem Ausgang des Verstärkers bereitzustellen, also insbesondere auszugeben, An amplifier, in particular an operational amplifier, which is connected to a first, in particular inverting, amplifier input with the measuring probe, and is set up to convert the probe current into an in particular inverted amplifier voltage, and to provide this amplifier voltage at an output of the amplifier, that is to say in particular to output it,
Einen mit dem Ausgang des Verstärkers verbundenen Gleichrichter, insbesondere einen Phasensynchrongleichrichter, wobei der Gleichrichter weiterhin mit dem Generator verbunden ist, und der dazu eingerichtet ist, die Verstärkerspannung insbesondere phasensynchron zur Generatorfrequenz gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung an einem Ausgang des Gleichrichters für eine weitere Signalverarbeitung bereitzustellen, A rectifier connected to the output of the amplifier, in particular a phase-synchronous rectifier, the rectifier also being connected to the generator, and which is set up to rectify the amplifier voltage, in particular phase-synchronously to the generator frequency, and to provide the rectified voltage at an output of the rectifier for further signal processing ,
Einen mit dem Ausgang des Gleichrichters verbundenen Regler, wobei ein Ausgang des Reglers mit der Messsonde, der Probe, insbesondere über einen Probenhalter der Vorrichtung, oder mit einem zweiten insbesondere nicht invertierenden Verstärkereingang des Verstärkers verbunden ist, und wobei der Regler dazu eingerichtet ist, an einem Ausgang des Reglers eine Reglerspannung insbesondere in Form einer Gleichspannung auszugeben, die der A controller connected to the output of the rectifier, wherein an output of the controller is connected to the measuring probe, the sample, in particular via a sample holder of the device, or to a second, in particular non-inverting, amplifier input of the amplifier, and the controller is set up to do so to output a regulator voltage to an output of the regulator, in particular in the form of a DC voltage, which the
gleichgerichteten Spannung am Ausgang des Gleichrichters entgegenwirkt und zwar insbesondere so, dass die gleichgerichtete Spannung am Ausgang des Gleichrichters im Laufe des Regelvorgangs am Eingang des Reglers verschwindet. Die Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass a) der Verstärker eine untere Grenzfrequenz aufweist, die kleiner, insbesondere mindestens fünfmal kleiner, ist als die Generatorfrequenz, b) der Verstärker eine obere Grenzfrequenz aufweist, die größer, insbesondere mindestens fünfmal größer, ist als die Generatorfrequenz und dass c) die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Verstärkerspannung an einem ersten Ausgang der Vorrichtung für die Verstärkerspannung L/AC oder einer Komponente, insbesondere einem Entzerrer, Filter oder Summierer der Vorrichtung bereitzustellen, also insbesondere auszugeben und c') wobei die Vorrichtung insbesondere weiterhin dazu eingerichtet ist, die Reglerspannung an einem zweiten Ausgang der Vorrichtung oder einer Komponente, insbesondere einem Entzerrer, Filter oder Summierer der Vorrichtung bereitzustellen. rectified voltage at the output of the rectifier counteracts, in particular in such a way that the rectified voltage at the output of the rectifier disappears in the course of the control process at the input of the controller. The invention is further characterized in that a) the amplifier has a lower limit frequency that is lower, in particular at least five times lower, than the generator frequency, b) the amplifier has an upper limit frequency that is higher, in particular at least five times higher than that Generator frequency and that c) the device is set up to provide the amplifier voltage at a first output of the device for the amplifier voltage L / AC or a component, in particular an equalizer, filter or summer of the device, so in particular to output and c ') where the device in particular is further set up to provide the regulator voltage at a second output of the device or a component, in particular an equalizer, filter or summator of the device.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, sowohl zeitlich konstante, langsam variierende und/oder hochfrequente elektrische Gleich- bzw. Wechselspannung auf einer Probe über ein sehr großes Frequenzspektrum, beispielsweise zwischen 0 Hz und mehreren 100 MFIz zu bestimmen. The device according to the invention makes it possible to determine constant, slowly varying and / or high-frequency electrical direct or alternating voltage on a sample over a very large frequency spectrum, for example between 0 Hz and several 100 MFIz.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, ohne Vorkenntnisse der zu erwartenden Spannungsverhältnisse auf der Probe ebenfalls transiente With the device according to the invention it is possible, without prior knowledge of the voltage conditions to be expected on the sample, likewise transient
Spannungsänderungen, insbesondere im Milli- und Mikrosekundenbereich zu erfassen. Detect voltage changes, especially in the millisecond and microsecond range.
Eine solche Vorrichtung eignet sich besonders zu Vermessung von photovoltaischen Elementen als Probe, die während der Spannungsmessung mit der Vorrichtung zeitlich variierenden Lichtverhältnissen ausgesetzt werden. Such a device is particularly suitable for measuring photovoltaic elements as a sample that are exposed to light conditions that vary over time during the voltage measurement with the device.
Die Probenspannung ist insbesondere eine Oberflächenspannung oder eine The sample tension is in particular a surface tension or a
Oberflächenphotospannung auf der Probe. Surface photovoltage on the sample.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Lage, Probenspannungen im Bereich von wenigen pV, zum Beispiel 10 pV bis hin in den 3-stelligen Voltbereich, zum Beispiel 100 V, zuverlässig, robust und schnell zu erfassen. Als Probe können neben photovoltaischen Elementen auch Isolatoren, Halbleiter aller Art und Metalle vermessen werden. The device according to the invention is able to reliably, robustly and quickly detect sample voltages in the range from a few pV, for example 10 pV up to the 3-digit volt range, for example 100 V. In addition to photovoltaic elements, insulators, semiconductors of all types and metals can also be measured as samples.
Die Messsonde ist oder umfasst beispielsweise eine Kelvinsonde. The measuring probe is or comprises, for example, a Kelvin probe.
Der Generator ist insbesondere dazu eingerichtet, Steuersignale an einen mit der Messsonde wirkverbundenen Motor (z.B. Elektromagnet, piezoelektrischer oder elektrostatischer Antrieb) zu senden, so dass die Messsonde gemäß den Steuersignalen entlang der mindestens einen Achse vom Motor bewegt wird. The generator is designed in particular to send control signals to a motor (e.g. electromagnet, piezoelectric or electrostatic drive) that is operatively connected to the measuring probe, so that the measuring probe is moved along the at least one axis by the motor according to the control signals.
Der Generator ist insbesondere ein Frequenzgenerator, dessen Generatorfrequenz insbesondere einstellbar ist. Die Generatorfrequenz und damit die Frequenz, mit der die Messsonde entlang der mindestens einen Achse bewegbar ist, liegt in vorteilhafterweise im Bereich von 10 Hz und 750 Hz, insbesondere im Bereich von 50 Hz bis 400 Hz. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine obere Grenzfrequenz des Verstärkers von mindestens 3,75 kHz, insbesondere mindestens 2 kHz und eine untere Grenzfrequenz von höchstens 2 Hz, insbesondere höchstens 10 Hz, unter der in vorteilhafter Weise insbesondere mindestens fünfmal größeren bzw. fünfmal kleineren Frequenz des Verstärkers in Relation zur Generatorfrequenz. The generator is in particular a frequency generator, the generator frequency of which can in particular be set. The generator frequency and thus the frequency with which the measuring probe can be moved along the at least one axis is advantageously in the range of 10 Hz and 750 Hz, in particular in the range of 50 Hz to 400 Hz. This advantageously results in an upper limit frequency of the amplifier of at least 3.75 kHz, in particular at least 2 kHz and a lower limit frequency of at most 2 Hz, in particular at most 10 Hz, below the frequency of the amplifier in relation to the generator frequency, advantageously at least five times greater or five times smaller.
Der Verstärker kann einen Operationsverstärker umfassen, der insbesondere ein invertierender Verstärker ist. The amplifier can comprise an operational amplifier, which is in particular an inverting amplifier.
Der Verstärker ist insbesondere dazu eingerichtet, aus dem Sondenstrom von der The amplifier is set up in particular to use the probe current from the
Messsonde eine dazu korrelierte Verstärkerspannung auszugeben. Measuring probe output a correlated amplifier voltage.
Der Verstärker ist dabei mit einer oberen Grenzfrequenz, die zwischen 1 MHz und 100 MHz liegt (breitbandig) ausgelegt. The amplifier is designed with an upper limit frequency that is between 1 MHz and 100 MHz (broadband).
Eine Vorrichtung, die lediglich zur Erfassung von Gleichspannungen einer Probe ausgebildet ist, umfasst keinen Verstärker mit derartiger Bandbreite, sondern einen vergleichsweise schmalbandigen Verstärker, d.h. z.B. einen der zwischen 10 Hz und 1 kHz Bandbreite aufweist. A device which is only designed for the detection of direct voltages of a sample does not include an amplifier with such a bandwidth, but a comparatively narrow-band amplifier, i.e. for example one with a bandwidth between 10 Hz and 1 kHz.
Der Verstärker ist mit einem Gleichrichter verbunden, der beispielsweise ein Multiplizierer sein kann. Der Gleichrichter ist dazu eingerichtet, die Verstärkerspannung insbesondere phasensynchron (Phasensynchrongleichrichter) zur Generatorfrequenz gleichzurichten. Dazu ist der Gleichrichter auch mit dem Generator verbunden, um die Generatorfrequenz zu erfassen. The amplifier is connected to a rectifier, which can be a multiplier, for example. The rectifier is set up to rectify the amplifier voltage, in particular phase-synchronously (phase-synchronous rectifier) to the generator frequency. To the rectifier is also connected to the generator to capture the generator frequency.
Des Weiteren wird das Verstärkersignal gemäß einer Variante der Erfindung auch an einem ersten Ausgang der Vorrichtung ausgegeben, was der Vorrichtung oder daran Furthermore, according to a variant of the invention, the amplifier signal is also output at a first output of the device, which is the device or on it
angeschlossenen Komponenten erlaubt, das Verstärkersignal separat auszuwerten oder zu modifizieren. connected components allows the amplifier signal to be evaluated or modified separately.
Zusätzlich wird das Verstärkersignal durch in der Vorrichtung enthaltene Komponenten weiterverarbeitet.. In addition, the amplifier signal is further processed by components contained in the device.
Diese weiterverarbeitenden Komponenten sind ein Entzerrer und ein Summierer. Ein Filter ist ebenfalls zugfügbar. These further processing components are an equalizer and a summer. A filter is also available.
Die Vorrichtung ist also Teil eines Systems, das zur berührungslosen Spannungsmessung einer Probe ausgelegt ist, nämlich die weiterverarbeitenden Komponenten Entzerrer und Summierer, die über den ersten und/oder zweiten Ausgang der Vorrichtung angeschlossen sind. The device is therefore part of a system which is designed for the non-contact voltage measurement of a sample, namely the further processing components equalizer and summator, which are connected via the first and / or second output of the device.
Insbesondere kann ein Entzerrer und/oder der Summierer auch über einen Prozessor oder einen Computer mit entsprechender Software und Eingängen realisiert werden. In particular, an equalizer and / or the adder can also be implemented using a processor or a computer with appropriate software and inputs.
Im Gegensatz zum Stand der Technik erlauben die separate Zurverfügungstellung der Verstärkerspannung zur Analyse hinsichtlich transienter und hochfrequenter In contrast to the prior art, the separate provision of the amplifier voltage allows for analysis with regard to transient and high frequency
Probenspannungsanteile und die gleichzeitige Weiterverarbeitung des Verstärkersignals bezüglich der Gleichspannungsanteile der Probenspannung über den Gleichrichter und dessen nachgeschalteten Komponenten die vollständige Erfassung der Probenspannung über einen im Vergleich zum Stand der Technik sehr breiten Frequenzbereich, der 0 Hz (Gleichspannung) bis zu 10 MFIz oder 100 MFIz und größer umfasst. Sample voltage components and the simultaneous further processing of the amplifier signal with regard to the DC voltage components of the sample voltage via the rectifier and its downstream components the complete detection of the sample voltage over a frequency range that is very broad compared to the prior art, from 0 Hz (direct voltage) up to 10 MFIz or 100 MFIz and includes larger.
Die Weiterverarbeitung hinsichtlich der Gleichspannungs- und niederfrequenten Further processing in terms of DC voltage and low frequency
Probenspannungsanteile geschieht über einen Regelkreis, der mittels des Reglers, dessen Regelsignal, also die Regler(gleich)spannung, dazu dient, entweder die Spannung des durch die Probe und die Messsonde gebildeten Kondensators zu kompensieren, so dass kein Sondenstrom mehr fließt, oder direkt die Probenspannung zu neutralisieren. In beiden Fällen geht die gleichgerichtete Spannung am Ausgang des Gleichrichters gegen null, und damit auch die Reglerspannung. Sample voltage components happen via a control circuit which, by means of the controller, whose control signal, i.e. the controller (DC) voltage, serves to either compensate for the voltage of the capacitor formed by the sample and the measuring probe, so that the probe current no longer flows, or directly the To neutralize sample voltage. In both cases, the rectified voltage at the output of the rectifier tends to zero, and so does the regulator voltage.
Dieser Regelvorgang dauert in der Regel zwischen 50 ms und einer Sekunde. This control process usually takes between 50 ms and one second.
Erfindungskennzeichnend ist, dass die Grenzfrequenzen des Verstärkers insbesondere deutlich größer bzw. kleiner als die Generatorfrequenz sind, was zu der besagten It is characteristic of the invention that the limit frequencies of the amplifier are in particular significantly larger or smaller than the generator frequency, which is the case with the above
Breitbandigkeit (siehe oben) des Verstärkers führt, die im Stand der Technik nicht gegeben ist. Broadband (see above) of the amplifier leads, which is not given in the prior art.
Die Verstärkerspannung und/oder die Reglerspannung kann dabei durch die Komponenten zur weiteren Signalverarbeitung, Entzerrer und Summierer in digitale Signale durch einen integrierten oder separaten A/D-Wandler umgewandelt werden. The amplifier voltage and / or the regulator voltage can be converted by the components for further signal processing, equalizers and summers into digital signals by an integrated or separate A / D converter.
Der Verstärker kann eine virtuelle Masse am Eingang des Verstärkers aufweisen. The amplifier can have a virtual ground at the input of the amplifier.
Der Verstärker kann weiterhin ein RC-Glied aufweisen, das die untere Grenzfrequenz des Verstärkers definiert. The amplifier can furthermore have an RC element which defines the lower limit frequency of the amplifier.
Das RC-Glied weist insbesondere einen ohmschen Widerstand in der Größenordnung eines Teraohms auf und einen Kondensator mit einer Kapazität zwischen 0,1 pF und 1 pF. The RC element has in particular an ohmic resistance in the order of magnitude of a teraohm and a capacitor with a capacitance between 0.1 pF and 1 pF.
Der Kondensator kann auch lediglich aus der Streukapazität des ohmschen Widerstandes im Verstärker bestehen. The capacitor can also simply consist of the stray capacitance of the ohmic resistance in the amplifier.
Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ergibt sich insbesondere aus dem Verhältnis des Kondensators des RC-Gliedes und der Kapazität des aus der Probe und der Messsonde gebildeten Kondensators. The gain factor of the amplifier results in particular from the ratio of the capacitor of the RC element and the capacitance of the capacitor formed from the sample and the measuring probe.
Weiterhin kann der Verstärker ein Strom-Spannungswandler, insbesondere ein Furthermore, the amplifier can be a current-voltage converter, in particular a
Ladungsverstärker sein. Be charge amplifiers.
Der Entzerrer ist mit dem ersten Ausgang der Vorrichtung und/oder mit dem The equalizer is with the first output of the device and / or with the
Verstärkerausgang verbunden oder anschließbar, wobei der Entzerrer dazu eingerichtet ist, die Verstärkerspannung zumindest zeitweise so zu modifizieren, als hätte der Verstärker eine geringere untere Grenzfrequenz, insbesondere eine untere Grenzfrequenz von weniger als 10 Hz, insbesondere 0 Hz, wobei der Entzerrer einen Ausgang aufweist, an dem die modifizierte Verstärkerspannung bereitgestellt wird, wobei die Vorrichtung insbesondere den Entzerrer umfasst. Amplifier output connected or connectable, the equalizer being set up to modify the amplifier voltage at least temporarily as if the amplifier had a lower lower limit frequency, in particular a lower limit frequency of less than 10 Hz, in particular 0 Hz, the equalizer having an output, where the modified amplifier voltage is provided, wherein the device comprises in particular the equalizer.
Der Entzerrer kann dazu ausgebildet sein, die Verstärkerspannung hinsichtlich des The equalizer can be designed to the amplifier voltage with respect to the
Verstärkungsfaktors zu korrigieren. To correct the gain factor.
Die Funktion des Entzerrers kann durch eine Prozessor oder einen Computer mit entsprechendem Computerprogram durchgeführt werden, oder durch eine entsprechende Hardwareschaltung. The function of the equalizer can be carried out by a processor or a computer with an appropriate computer program, or by an appropriate hardware circuit.
Der Entzerrer kann eine einstellbare Verstärkung aufweisen, insbesondere um den The equalizer can have an adjustable gain, in particular around the
Verstärkungsfaktor zu korrigieren. Correct the gain factor.
Die Vorrichtung ist zudem über den ersten und zweiten Ausgang der Vorrichtung mit einem Summierer verbunden, der dazu eigerichtet ist, die Verstärkerspannung oder die modifizierte und insbesondere korrigierte Verstärkerspannung aus dem Entzerrer und die Reglerspannung zu einer Ausgangsspannung zu addieren und auszugeben und insbesondere die Ausgangspannung an einem Summenausgang des Summierers bereitzustellen, wobei die Vorrichtung insbesondere den Summierer umfasst. The device is also connected via the first and second output of the device to a summer, which is designed to add the amplifier voltage or the modified and in particular corrected amplifier voltage from the equalizer and the regulator voltage to an output voltage and output and in particular to output the output voltage to one To provide the sum output of the adder, the device in particular comprising the adder.
Der Summierer ist insbesondere dazu eingerichtet, digitale Signale zu verarbeiten, so dass an passender Stelle auch die Reglerspannung digitalisiert werden kann. The adder is particularly designed to process digital signals so that the regulator voltage can also be digitized at a suitable point.
Das Summensignal entspricht dann der Probenspannung und enthält in gleichem Maße wie die Probenspannung deren transienten, hochfrequenten, niederfrequenten sowie deren Gleichspannungsanteile. The sum signal then corresponds to the sample voltage and, to the same extent as the sample voltage, contains its transient, high-frequency, low-frequency and direct voltage components.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ist die untere Grenzfrequenz mindestens 100-mal insbesondere 1.000-mal kleiner als die Generatorfrequenz. According to a further embodiment of the invention, the lower limit frequency is at least 100 times, in particular 1,000 times, smaller than the generator frequency.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ist die obere Grenzfrequenz mindestens 1.000-mal, insbesondere mindestens 100.000-mal größer als die According to a further embodiment of the invention, the upper limit frequency is at least 1,000 times, in particular at least 100,000 times greater than that
Generatorfrequenz. Generator frequency.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Ausgang des Reglers entweder direkt mit der Probe verbunden oder der Ausgang des Reglers ist über einen Widerstand mit der Messsonde verbunden, so dass die Reglerspannung an der entsprechenden Komponente anliegt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen According to a further embodiment of the invention, the output of the controller is either connected directly to the sample or the output of the controller is connected to the measuring probe via a resistor so that the controller voltage is applied to the corresponding component. According to a further embodiment of the invention, the device has a
Signalgenerator auf oder ist mit einem Signalgenerator verbindbar, wobei der Signal generator on or can be connected to a signal generator, the
Signalgenerator dazu eingerichtet ist, die Probe oder den leitfähigen Probenhalter mit einem vordefinierten Testsignal, insbesondere eine Wechselspannung aufweisend eine konstante Amplitude, zu beaufschlagen, so dass aus dem Vergleich des Testsignals mit der Signal generator is set up to apply a predefined test signal, in particular an alternating voltage having a constant amplitude, to the sample or the conductive sample holder, so that from the comparison of the test signal with the
Verstärkerspannung am Verstärkerausgang eine Wechselspannungsverstärkung des Verstärkers ermittelt werden kann. Amplifier voltage at the amplifier output an AC voltage gain of the amplifier can be determined.
Am Eingang des Verstärkers kann ein Kondensator zur kapazitiven Trennung von der Reglerspannung angeordnet sein, sofern diese auf die Messsonde geleitet wird. A capacitor for capacitive separation from the regulator voltage can be arranged at the input of the amplifier, provided that this is fed to the measuring probe.
Der Regler ist insbesondere ein I-Regler. The controller is in particular an I-controller.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Further features and advantages of the invention are explained below with reference to
Figurenbeschreibung und von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen: Description of the figures and of exemplary embodiments explained. Show it:
Fig. 1 einen Schaltkreis mit den Komponenten gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung; 1 shows a circuit with the components according to a first exemplary embodiment of the invention;
Fig. 2 zeitliche Verläufe von Spannungen der Vorrichtung; und 2 shows the time curves of voltages in the device; and
Fig. 3 einen weiteren Schaltkreis mit den Komponenten gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 3 shows a further circuit with the components according to a second exemplary embodiment of the invention.
In Fig. 1 ist eine schematische Schaltung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 dargestellt. 1 shows a schematic circuit of an exemplary embodiment of the device 100 according to the invention.
Eine Probe 1, beispielsweise ein Metall oder ein Halbleiter, ist auf einem Probenhalter lb angeordnet, wobei der Probenhalter lb leitfähig ist und mit der Probel in Kontakt steht. Die Probe 1 selbst ist nicht Teil der Vorrichtung 100, während hingegen der Probenhalter lb Teil der Vorrichtung 100 sein kann. Der Probenhalter lb ist dazu eingerichtet verschiedene Proben zu halten. A sample 1, for example a metal or a semiconductor, is arranged on a sample holder 1b, the sample holder 1b being conductive and being in contact with the sample. The sample 1 itself is not part of the device 100, whereas the sample holder 1b can be part of the device 100. The sample holder 1b is set up to hold various samples.
Eine Probe 1 im Sinne der Erfindung kann beispielsweise ein photovoltaisches Element sein. A sample 1 within the meaning of the invention can for example be a photovoltaic element.
Der Probenhalter lb ist über einen Kondensator 4 für Flochfrequenz geerdet und kann über eine Leitverbindung 9 mit einer Spannung, z.B. einer konstanten oder langsam The sample holder 1b is grounded via a capacitor 4 for the floch frequency and can be supplied with a voltage, e.g. constant or slow, via a conductive connection 9
veränderlichen Gleichspannung, beaufschlagt werden. Der Vorrichtung 100 umfasst eine leifähige Messsonde 2, z.B. In Form einer Elektrode. Die Messsonde 2 kann als ein leitend beschichtetes sowie optisch transparentes Element ausgeführt sein, beispielsweise als ein teilbeschichteter Glaszylinder, so dass die Probe 1 durch die Messsonde 2 mit Licht beaufschlagt werden kann. variable DC voltage. The device 100 comprises a conductive measuring probe 2, for example in the form of an electrode. The measuring probe 2 can be designed as a conductively coated and optically transparent element, for example as a partially coated glass cylinder, so that the sample 1 can be exposed to light by the measuring probe 2.
Die Vorrichtung 100 kann weiterhin eine Auswerteeinheit (nicht dargestellt) aufweisen, die die Zeiten, in denen die Probe 1 mit Licht beaufschlagt wurde, ausgibt, insbesondere so dass diese Zeiten mit einem Ausgangssignal der Vorrichtung korreliert werden können. The device 100 can furthermore have an evaluation unit (not shown) which outputs the times in which the sample 1 was exposed to light, in particular so that these times can be correlated with an output signal of the device.
Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Lichtquelle (nicht dargestellt) umfassen, die dazu eingerichtet ist, die Probe mit Licht zu beaufschlagen, wobei die Lichtquelle insbesondere modulierbar ist, und insbesondere gepulstes Licht abgeben kann. The device can furthermore comprise a light source (not shown) which is set up to apply light to the sample, wherein the light source can in particular be modulated and in particular can emit pulsed light.
Insbesondere durch die Bestrahlung mit Licht kann man eine auf der Probe 1 induzierte, insbesondere zeitlich veränderliche elektrische Probenspannung UP erzeugen, die mit der Vorrichtung 100 messbar ist. In particular, by irradiating with light, it is possible to generate an electrical sample voltage U P which is induced on the sample 1, in particular which is variable over time and which can be measured with the device 100.
Die Vorrichtung 100 ist dazu eingerichtet, Amplitude und Zeitverlauf dieser Probenspannung Up auf der Probe 1 zu messen und auszugeben, so dass Informationen über die The device 100 is set up to measure and output the amplitude and time profile of this sample voltage Up on the sample 1, so that information about the
Beschaffenheit der Probe 1 gewonnen werden können. Condition of the sample 1 can be obtained.
Spannungen werden im Kontext dieser Beschreibung insbesondere in Bezug auf ein gemeinsames Massepotential der Vorrichtung 100 angegeben, wie beispielsweise auf eine Erdung. In the context of this description, voltages are specified in particular in relation to a common ground potential of the device 100, such as, for example, to a ground.
Der Zeitverlauf der Probenspannung UP kann Frequenzkomponenten zwischen Null Hertz, also Gleichspannung, und einigen hundert MHz beinhalten, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Probenspannung UP über den gesamten Frequenzbereich zu erfassen. The time curve of the sample voltage U P can contain frequency components between zero Hertz, that is to say direct voltage, and a few hundred MHz, the device being set up to detect the sample voltage U P over the entire frequency range.
Insbesondere ist die Vorrichtung 100 dazu eingerichtet, Probenspannungen UP im In particular, the device 100 is set up to measure sample voltages U P im
Frequenzbereich 0 Hz bis 50 MHz zu messen und auszugeben, wobei je nach Auslegung der Komponenten auch höhere Grenzfrequenzen möglich sind. To measure and output the frequency range 0 Hz to 50 MHz, although higher limit frequencies are also possible depending on the design of the components.
Dazu ist die Messsonde 2 der Vorrichtung 100 auf und ab bewegbar. Ein Generator der Vorrichtung ist dazu eingerichtet, ein derartiges Steuersignal auszugeben und so die Messsonde insbesondere mit einer Generatorfrequenz im Bereich von 20 Hz bis 500 Hz auf und ab zu bewegen, wobei die Abstandsvariationen zwischen Messsonde 2 und Probe 1 gegenüber einem mittleren Messsonden-Probenabstand gering sind, z.B. 10% oder weniger. Die Generatoramplitude kann einstellbar sein. Die Auf- und Abbewegung der Messsonde 2 wird beispielsweise mit einem an den Generator 3 angeschlossenen Motor (z.B. For this purpose, the measuring probe 2 of the device 100 can be moved up and down. A generator of the device is set up to output such a control signal and thus to move the measuring probe up and down, in particular at a generator frequency in the range of 20 Hz to 500 Hz, the variations in distance between measuring probe 2 and sample 1 are small compared to an average measuring probe-sample distance, eg 10% or less. The generator amplitude can be adjustable. The up and down movement of the measuring probe 2 is performed, for example, with a motor connected to the generator 3 (e.g.
Elektromagnet, elektrostatischer oder piezoelektrischer Antrieb, (nicht dargestellt)) erreicht. Electromagnet, electrostatic or piezoelectric drive (not shown)) achieved.
Wenn die Messsonde 2 relativ zur Probe 1 insbesondere periodisch mit der If the measuring probe 2 relative to the sample 1, in particular periodically with the
Generatorfrequenz bewegt wird, sich also der Abstand zwischen der Probe 1 und der Messsonde 2 ändert, führt dies zu einer Kapazitätsänderung AC des aus der Probe 1 und der Messsonde 2 gebildeten Kondensators 12 mit der Kapazität Cmft, was einen Sondenstrom, in Form eines Wechselstromes auf der Messsonde 2 entstehen lässt auch wenn lediglich eine Gleichspannung auf der Probe 1 anliegt. Generator frequency is moved, so the distance between the sample 1 and the measuring probe 2 changes, this leads to a change in capacitance AC of the capacitor 12 formed from the sample 1 and the measuring probe 2 with the capacitance Cm ft , which is a probe current in the form of an alternating current can arise on the measuring probe 2 even if only a DC voltage is applied to the sample 1.
Die Messsonde 2 ist mit einem Eingang eines invertierenden Ladungsverstärkers 6 verbunden und der Sondenstrom wird diesem Verstärker 6 durch diesen Eingang zugeleitet. The measuring probe 2 is connected to an input of an inverting charge amplifier 6 and the probe current is fed to this amplifier 6 through this input.
Der Verstärker 6 kann durch das Ersatzschaltbild der gestrichelten Box beschrieben werden. Darin sind ein Operationsverstärker und ein RC-Glied dargestellt. The amplifier 6 can be described by the equivalent circuit diagram of the dashed box. It shows an operational amplifier and an RC element.
Der ohmsche Widerstand 60 des RC-Glieds ist typischerweise möglichst hoch, wobei aufgrund zunehmender Fertigungstoleranzen bei sehr hochohmigen Widerständen typischer Weise ein Widerstandswert RRC von einem Teraohm (1 T W) gewählt werden kann. The ohmic resistance 60 of the RC element is typically as high as possible, with a resistance value R RC of one teraohm (1 TW) typically being able to be selected due to increasing manufacturing tolerances in the case of very high resistance.
Die Kapazität CK des Kondensators 6C des RC-Glieds wird in vorteilhafter Weise im Bereich von 0,1 pF bis 1 pF gewählt. Der Kondensator 6C kann gegenständlich vorhanden sein oder auch aus einer Streukapazität des ohmschen Widerstands 60 resultieren. The capacitance C K of the capacitor 6C of the RC element is advantageously selected in the range from 0.1 pF to 1 pF. The capacitor 6C can be present or can result from a stray capacitance of the ohmic resistor 60.
Die charakteristische Zeitkonstante des Ladungsverstärkers 6 ergibt sich damit zu 7V = RRC CK und liegt im Bereich 0,1 s bis 1 s. Der aus der Probe 1 und der Messsonde 2 gebildete Kondensator 12 bestimmt mit dem Verstärkerkondensator 60 den Verstärkungswert des Verstärkers 6 für hochfrequente und transiente Komponenten der Probenspannung Up. The characteristic time constant of the charge amplifier 6 is thus 7V = RR C C K and is in the range 0.1 s to 1 s. The capacitor 12 formed from the sample 1 and the measuring probe 2 determines the gain value of the amplifier 6 with the amplifier capacitor 60 for high-frequency and transient components of the sample voltage Up.
Die an einem Verstärkerausgang des Verstärkers 6 abnehmbare Verstärkerspannung L/Ac hat die Größe: The amplifier voltage L / A c that can be picked up at an amplifier output of amplifier 6 has the size:
UAC - - Up Cuift / CK Dabei bezeichnet Crnft die Kapazität zwischen Probe 1 und Elektrode 2, wobei der Spalt zwischen Probe und Elektrode je nach Ausführung mit Luft, Gasen, isolierenden Flüssigkeiten gefüllt ist oder dort Vakuum bestehen kann. UAC - - Up Cuift / CK Crn ft denotes the capacitance between sample 1 and electrode 2, the gap between sample and electrode being filled with air, gases, insulating liquids or a vacuum there, depending on the design.
Die aus technischen Gründen nicht beliebig groß dimensionierbare Zeitkonstante Gn = RRC · CK ist ein Grund, warum dieser Teil des Messaufbaus nur höherfrequente, > 10 Hz, und transiente Komponenten der Probenspannung Up erfassen kann, nicht jedoch tieffrequente,The time constant G n = R RC · C K, which cannot be dimensioned arbitrarily large for technical reasons, is one reason why this part of the measurement setup can only record higher-frequency,> 10 Hz, and transient components of the sample voltage Up, but not low-frequency,
< 10 Hz, oder gar Gleichspannungen. <10 Hz, or even DC voltages.
Hat die Probenspannung U beispielsweise einen Zeitverlauf wie in Fig. 2A dargestellt, dann hat der Betrag der Spannung L/AC einen Verlauf gemäß Fig. 2B. Um gleichzeitig auch niederfrequente Komponenten der Probenspannung und Gleichspannung (nachfolgend DC- Anteil genannt) erfassen zu können, ist der Ausgang des Verstärkers zusätzlich mit elektrischen und/oder elektronischen Komponenten verbunden, die eine Erfassung eben dieser niederfrequenten Probenspannungsanteile ermöglichen. For example, if the sample voltage U has a time curve as shown in FIG. 2A, then the magnitude of the voltage L / AC has a curve according to FIG. 2B. In order to be able to detect low-frequency components of the sample voltage and direct voltage (hereinafter referred to as DC component) at the same time, the output of the amplifier is also connected to electrical and / or electronic components that enable the detection of precisely these low-frequency sample voltage components.
Insbesondere ist der Verstärkerausgang mit einem Gleichrichter 7, hier in Form eines Analogmultiplizierers verbunden. Der Gleichrichter 7 ist dazu eingerichtet, unter In particular, the amplifier output is connected to a rectifier 7, here in the form of an analog multiplier. The rectifier 7 is set up under
Zuhilfenahme des Signals vom Generator 3, das die Generatorfrequenz (w) aufweist, eine Synchrongleichrichtung derjenigen Komponente im Ausgangssignal des Verstärkers 6 durchzuführen, die durch die Auf- und Abbewegung, also der periodischen With the aid of the signal from the generator 3, which has the generator frequency (w), synchronous rectification of the component in the output signal of the amplifier 6 caused by the up and down movement, i.e. the periodic
Abstandsänderung der Messsonde 2 aus dem DC-Anteil der Probenspannung Up generiert wird. Change in distance of the measuring probe 2 is generated from the DC component of the sample voltage Up.
Der Gleichrichter 7 ist mit einem Ausgang mit einem Regler 8 verbunden, wobei der Regler beispielsweise als integrierender-Regler, kurz I-Regler ausgeführt ist, und einen The rectifier 7 has an output connected to a regulator 8, the regulator being designed, for example, as an integrating regulator, I-regulator for short, and a
Übertragungsfaktor von G = k/(j wGn), mit k = Verstärkung des Reglers, aufweist. Der Übertragungsfaktor G des Reglers 8 ist variabel einstellbar. Durch Erhöhung von k wird der Regelvorgang beschleunigt. Je nach Einstellung dauert der Regelvorgang ungefähr 10- bis 100-mal solange wie das Reziproke der Generatorfrequenz. Transfer factor of G = k / (j wGn), with k = gain of the controller. The transfer factor G of the controller 8 is variably adjustable. The control process is accelerated by increasing k. Depending on the setting, the control process takes about 10 to 100 times as long as the reciprocal of the generator frequency.
Der Regler regelt die am Eingang des Reglers anliegende gleichgerichtete Spannung vom Gleichrichter 7 durch Ausgabe einer Reglerspannung Uoc auf null. Der I-Regler integriert dabei die Regelabweichung und bestimmt anschließend daraus die Reglerspannung UDc am Ausgang des Reglers. Die Reglerspannung U DC des Reglers 8 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel über eine Leitverbindung 9 dem Probenhalter und damit einer Unterseite der Probe 1 zugeführt, womit der Regelkreis geschlossen ist. The regulator regulates the rectified voltage from the rectifier 7 present at the input of the regulator by outputting a regulator voltage Uoc to zero. The I-controller integrates the control deviation and then determines the controller voltage U D c at the output of the controller. According to this exemplary embodiment, the regulator voltage UD C of the regulator 8 is fed to the sample holder and thus to an underside of the sample 1 via a conductive connection 9, whereby the control loop is closed.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel des Regelkreis ist in Fig. 3 dargestellt. An alternative embodiment of the control loop is shown in FIG.
Nach einer sprunghaften Änderung der Probenspannung Up wird die Reglerspannung Uoc einen Verlauf gemäß Fig. 2C nehmen. Nach einem Einschwingen des Reglers 8 entspricht die Reglerspannung Uoc exakt dem DC-Anteil der Probenspannung Up, unabhängig vom Abstand zwischen Probe 1 und Messsonde 2. After a sudden change in the sample voltage Up, the regulator voltage Uoc will take a curve according to FIG. 2C. After the controller 8 has settled, the controller voltage Uoc corresponds exactly to the DC component of the sample voltage Up, regardless of the distance between sample 1 and measuring probe 2.
Weil die Verstärkerspannung UAc jedoch vom Abstand zwischen Messsonde und Probe abhängt und somit von Cmft abhängig ist, kann die Verstärkerspannung UAc mit einem Korrekturfaktor KF = CK / CLuft multipliziert werden, so dass eine korrigierte However, because the amplifier voltage U A c depends on the distance between the measuring probe and the sample and is therefore dependent on Cm ft , the amplifier voltage U A c can be multiplied by a correction factor KF = C K / C air , so that a corrected
Verstärkerspannung L/Ac(komgiert) = UAC · CK / CLuft generiert wird. Amplifier voltage L / A c (combined) = U AC · C K / C air is generated.
Der Entzerrer kann insbesondere dazu eingerichtet sein die, Verstärkerspannung unter Verwendung des Korrekturfaktors zu korrigieren. The equalizer can in particular be set up to correct the amplifier voltage using the correction factor.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist zudem einen Summierer 11 auf. Der Summierer 11 kann ein integraler Bestandteil der Vorrichtung sein, oder über einen ersten Ausgang 21 für die Verstärkerspannung UAc oder die korrigierte Verstärkerspannung L/AC(komgiert) der Vorrichtung 100 und einen zweiten Ausgang 22 für die Reglerspannung Uoc verbunden sein. The device according to FIG. 1 also has a summer 11. The adder 11 can be an integral part of the device or be connected via a first output 21 for the amplifier voltage U A c or the corrected amplifier voltage L / AC (combined) of the device 100 and a second output 22 for the regulator voltage Uoc.
Falls der Summierer integraler Bestandteil der Vorrichtung 100 ist, dann ist der Summierer 11 so angeordnet, dass er die Verstärkerspannung UA oder die korrigierte If the adder is an integral part of the device 100, then the adder 11 is arranged in such a way that it corrects the amplifier voltage U A or the
Verstärkerspannung L/AC(komgiert) abgreift. Weiterhin greift der Summierer 11 auch die Reglerspannung Uoc ab. Amplifier voltage L / AC (combined) taps. Furthermore, the adder 11 also picks up the regulator voltage Uoc.
Der Summierer ist dazu eingerichtet, die Summe Umgang = UAC(komgiert) + Uoc oder UAc + Uoc zu bilden und an einem Summenausgang 24 der Vorrichtung auszugeben. Die The summer is set up to form the sum handling = U AC (combined) + Uoc or U A c + Uoc and to output it to a sum output 24 of the device. The
Ausgangspannung Umgang am Ausgang 24 des Summierers entspricht dem Zeitverlauf der zu messenden Probenspannung Up an der Probe und enthält alle Frequenzkomponenten von Null bis zur oberen Grenzfrequenz (10 MFIz bis 100 MFIz oder größer) des Verstärkers 6. Output voltage handling at output 24 of the adder corresponds to the time curve of the sample voltage Up to be measured on the sample and contains all frequency components from zero to the upper limit frequency (10 MFIz to 100 MFIz or greater) of amplifier 6.
In der Praxis beträgt die Zeitkonstante Gn = RRC · CK des Verstärkers 6 ungefähr 0,1 s bis 1 s, was einer unteren Grenzfrequenz von /u = 1/(2·p·7n) = 1,6 Hz bis 0,16 Hz entspricht. Die Ausgangspannung Umgang am Ausgang 24 des Summierers 11 ist dann zeitweilig verfälscht. In practice, the time constant G n = RR C * C K of the amplifier 6 is approximately 0.1 s to 1 s, which is a lower limit frequency of / u = 1 / (2 * p * 7n) = 1.6 Hz to 0 , 16 Hz. The output voltage Um gang at the output 24 of the summer 11 is then temporarily falsified.
Beispielsweise würden bei einer sprungförmigen Änderung der Probenspannung UP gemäß Fig. 2A ein Spannungsverlauf ähnlich Fig. 2D vom Summierer ausgegeben. For example, in the event of a sudden change in the sample voltage U P according to FIG. 2A, a voltage curve similar to FIG. 2D would be output by the adder.
Aus diesem Grund weist die Vorrichtung 100 einen Entzerrer 10 auf, der dazu eingerichtet ist, diesen Fehler zu korrigieren oder zu kompensieren. Der Entzerrer 10 ist dazu zwischen dem Verstärker und dem Summierer 11 angeordnet, und greift die Verstärkerspannung DAC am Ausgang des Verstärkers 6 ab und weist einen Ausgang 23 auf. Die Kompensation muss nur für eine begrenzte Dauer ab dem Zeitpunkt t = 0 erfolgen (vgl. bspw. Fig. 2A), nämlich solange bis die Reglerspannung UDC hinreichend genau auf ihren Endwert eingeschwungen ist (Fig. 2C), was gleichbedeutend mit dem Abklingen der„Einbuchtung" im For this reason, the device 100 has an equalizer 10 which is set up to correct or compensate for this error. For this purpose, the equalizer 10 is arranged between the amplifier and the summer 11, and picks up the amplifier voltage DAC at the output of the amplifier 6 and has an output 23. The compensation only has to take place for a limited period from time t = 0 (see, for example, FIG. 2A), namely until the regulator voltage UDC has settled sufficiently precisely to its final value (FIG. 2C), which is equivalent to the decay of the "Indentation" in the
Spannungsverlauf gemäß Fig. 2D ist. Voltage curve according to FIG. 2D.
Der Entzerrer 10 kann eine elektronische Schaltung umfassen, die dem in Fig. 2F dargestelltem Schaltbild entspricht. · The equalizer 10 can comprise an electronic circuit which corresponds to the circuit diagram shown in FIG. 2F. ·
Die Wahl der Werte für Widerstand RE und Kondensator CE (des Entzerrers) ist beliebig, aber die gebildete Zeitkonstante TE = RE - E sollte insbesondere im Bereich oder gleich der Zeitkonstante 7v = RRC · CK des Verstärkers 6 sein. Bis zum Zeitpunkt t = 0, an dem die Spannungsänderung auf der Probe einsetzt, bleibt der Schalter SE geschlossen, danach wird der Schalter SE für einige Sekunden geöffnet. Die Übertragungsfunktion dieser Flardware- Entzerrung ist nun reziprok zur Übertragungsfunktion der Kombination aus Cmft und Verstärker 6 und kompensiert diese. Nach spätestens einigen Sekunden, wenn die The choice of the values for resistor RE and capacitor C E (of the equalizer) is arbitrary, but the time constant TE = RE - E formed should in particular be in the range or equal to the time constant 7v = RR C · C K of the amplifier 6. The switch S E remains closed until the point in time t = 0, at which the voltage change begins on the sample, after which the switch S E is opened for a few seconds. The transfer function of this Flardware equalization is now reciprocal to the transfer function of the combination of Cm ft and amplifier 6 and compensates for it. After a few seconds at the latest, if the
Reglerspannung UDC vollständig eingeschwungen ist, wird der Schalter SE wieder geschlossen. Der Schalter SE kann insbesondere automatisch gesteuert sein. Controller voltage UD C has fully settled, switch S E is closed again. The switch S E can in particular be controlled automatically.
Die Sprungantwort h(t) des Entzerrers nach Fig. 2F lautet: h(t) = l+f/Gn und ist in Fig. 2E dargestellt. Die solcherart korrigierten Spannungswerte können nun zusammen mit der Reglerspannung UDC die Ausgangspannung Umgang bilden, die ein fehlerfreies Abbild der Probenspannung UP auf der Probe 1 ist, für alle Frequenzkomponenten von 0 Hz bis zur oberen Grenzfrequenz des Verstärkers 6. The step response h (t) of the equalizer according to FIG. 2F is: h (t) = 1 + f / Gn and is shown in FIG. 2E. The voltage values corrected in this way, together with the regulator voltage UD C, can now form the output voltage Umg ang , which is an error-free image of the sample voltage U P on the sample 1, for all frequency components from 0 Hz to the upper limit frequency of the amplifier 6.
Alternativ kann der Entzerrer auch über einen Computer oder Prozessorbaustein mit entsprechendem Computerprogramm realisiert sein, so dass die beschriebene Entzerrung auch softwareseitig vorgenommen werden kann und zwar insbesondere anhand von digitalisierten Werten für die Verstärkerspannung L/AC, wobei diese Werte dem Computer oder Prozessor über einen Eingang zugeführt werden und die entzerrte Spannung aus einem Ausgang des Entzerrers 10 dem Summierer 11 zugeführt wird. Alternatively, the equalizer can also be implemented using a computer or processor module with a corresponding computer program, so that the described equalization can also be carried out on the software side, in particular using digitized values for the amplifier voltage L / AC, these values being fed to the computer or processor via an input and the equalized voltage being fed to the summer 11 from an output of the equalizer 10.
In Fig. 3 wird eine alternative Ausführung, das zweite Ausführungsbeispiel, der Vorrichtung gezeigt. Daher wird in Bezug auf bereits erläuterte und gleiche Komponenten auf die vorigen Absätze verwiesen. In Fig. 3 an alternative embodiment, the second embodiment, of the device is shown. Reference is therefore made to the previous paragraphs with regard to components that have already been explained and are identical.
Im Unterschied zu der Ausführung in Fig. 1, dem ersten Ausführungsbeispiel, wird die Reglerspannung Uoc nicht an die Probe gelegt, sondern über eine Leitverbindung 9' auf die Messsonde 2 gegeben, insbesondere um die Spannung am des durch die Messsonde 2 und die Probe 1 gebildeten Kondensators 12 zu kompensieren, also auf null zu bringen. Ein kapazitiver Entkopplungskondensator 5 vor dem Verstärker 6 angeordnet, um die In contrast to the embodiment in FIG. 1, the first exemplary embodiment, the regulator voltage Uoc is not applied to the sample, but rather applied to the measuring probe 2 via a conductive connection 9 ', in particular by the voltage on the through the measuring probe 2 and the sample 1 to compensate formed capacitor 12, so to bring to zero. A capacitive decoupling capacitor 5 arranged in front of the amplifier 6 to the
Reglerspannung UDc, die über die Leitverbindung 9' an der Messsonde 2 anliegt nicht durch den Verstärker 6 verstärkt wird. Ein Widerstand 14 in der Leitverbindung 9' dient dazu, dass der Sondenstrom aus der Sonne nicht über die Leitverbindung 9' fließt, sondern nahezu vollständig dem Verstärker 6 zugeführt wird. In dem Moment, in dem der Regler 8 eine Reglerspannung Uoc auf die Messsonde 2 gibt, welche die Spannung des durch die Regulator voltage U D c, which is applied to the measuring probe 2 via the lead connection 9 ', is not amplified by the amplifier 6. A resistor 14 in the lead connection 9 ′ serves to ensure that the probe current from the sun does not flow via the lead connection 9 ′, but is almost completely fed to the amplifier 6. At the moment in which the regulator 8 is a regulator voltage Uoc on the measuring probe 2, which the voltage of the through the
Messsonde 2 und die Probe 1 gebildeten Kondensators 12 neutralisiert, hat dies zur Folge, dass der Sondenstrom verschwindet. Measuring probe 2 and the sample 1 formed capacitor 12 neutralized, this has the consequence that the probe current disappears.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Vorrichtung zur berührungslosen Spannungsmessung an einer Probe (1) für transiente, zeitveränderliche und konstante Spannungen, wobei die Vorrichtung zumindest die folgenden Komponenten aufweist: 1. Device for non-contact voltage measurement on a sample (1) for transient, time-varying and constant voltages, the device having at least the following components:
Eine leitfähige Messsonde (2), A conductive measuring probe (2),
Einen Generator (3), der dazu eingerichtet ist, die Messsonde (2) zumindest entlang einer Achse mit einer Generatorfrequenz hin und her zu bewegen, so dass in der Messsonde (2), wenn diese in die Nähe einer Probe (1) gebracht wird, ein elektrischer Sondenstrom erzeugt wird, A generator (3) which is set up to move the measuring probe (2) back and forth at least along one axis at a generator frequency, so that in the measuring probe (2) when it is brought into the vicinity of a sample (1) , an electrical probe current is generated,
Einen Verstärker (6), der mit einem ersten Verstärkereingang mit der Messsonde (2) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den Sondenstrom in eine Verstärkerspannung umzuwandeln und eine untere Grenzfrequenz aufweist, die kleiner ist als die Generatorfrequenz und eine obere Grenzfrequenz aufweist, die größer ist als die Generatorfrequenz und diese Verstärkerspannung an einem Ausgang des Verstärkers (6) bereitzustellen, und wobei die Vorrichtung (100) dazu eingerichtet ist, die Verstärkerspannung an einem ersten Ausgang (21) der Vorrichtung (100) bereitzustellen, An amplifier (6) which is connected to a first amplifier input with the measuring probe (2) and is set up to convert the probe current into an amplifier voltage and has a lower limit frequency which is lower than the generator frequency and an upper limit frequency which is higher is to be provided as the generator frequency and this amplifier voltage at an output of the amplifier (6), and wherein the device (100) is set up to provide the amplifier voltage at a first output (21) of the device (100),
Einen mit dem Ausgang des Verstärkers (6) verbundenen Gleichrichter (7), wobei der Gleichrichter (7) weiterhin mit dem Generator (3) verbunden ist, und wobei der Gleichrichter (7) dazu eingerichtet ist, die Verstärkerspannung zur Generatorfrequenz gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung bereitzustellen, A rectifier (7) connected to the output of the amplifier (6), the rectifier (7) still being connected to the generator (3), and the rectifier (7) being set up to rectify the amplifier voltage to the generator frequency and the rectified Provide voltage,
Einen mit dem Gleichrichter (7) verbundenen Regler (8), wobei ein Ausgang des Reglers (8) mit der Messsonde (2), der Probe (1) oder mit einem zweiten Verstärkereingang des Verstärkers (6) verbunden ist, und wobei der Regler (8) dazu eingerichtet ist, an einem Ausgang des Reglers (8) eine Reglerspannung auszugeben, die der gleichgerichteten Spannung des Gleichrichters (7) entgegenwirkt und zwar so, dass die gleichgerichtete Spannung des Gleichrichters (7) verschwindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entzerrer (10) mit dem ersten Ausgang der Vorrichtung (21) und/oder mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, wobei der Entzerrer (10) dazu eingerichtet ist, die Verstärkerspannung zumindest zeitweise so zu modifizieren, als hätte der Verstärker (6) eine untere Grenzfrequenz von weniger als 10 Hz, wobei der Entzerrer (10) einen Ausgang (23) aufweist, an dem die modifizierte Verstärkerspannung bereitgestellt wird und wobei die Vorrichtung (100) über den ersten Ausgang (21) und einen zweiten Ausgang für die Reglerspannung (22) der Vorrichtung (100) mit einem Summierer (11) verbunden ist, der dazu eigerichtet ist, die modifizierte Verstärkerspannung aus dem Entzerrer (10) und die Reglerspannung zu einer Ausgangsspannung zu addieren und auszugeben und die Ausgangspannung an einem Summenausgang (24) des Summierers (11) bereitzustellen. A controller (8) connected to the rectifier (7), an output of the controller (8) being connected to the measuring probe (2), the sample (1) or to a second amplifier input of the amplifier (6), and the controller (8) is set up to output a regulator voltage at an output of the regulator (8) which counteracts the rectified voltage of the rectifier (7) in such a way that the rectified voltage of the rectifier (7) disappears, characterized in that an equalizer (10) is connected to the first output of the device (21) and / or to the amplifier output, the equalizer (10) being set up to modify the amplifier voltage at least temporarily as if the amplifier ( 6) a lower limit frequency of less than 10 Hz, the equalizer (10) having an output (23) at which the modified amplifier voltage is provided and the device (100) via the first output (21) and a second output for the regulator voltage (22) of the device (100) is connected to a summer (11) which is designed to add the modified amplifier voltage from the equalizer (10) and the regulator voltage to an output voltage and to output the output voltage at a sum output ( 24) of the adder (11).
2. Die Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere 2. The device (100) according to claim 1, characterized in that the lower
Grenzfrequenz mindestens 100-mal kleiner als die Generatorfrequenz ist. Cutoff frequency is at least 100 times lower than the generator frequency.
3. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenzfrequenz mindestens 1.000-mal, größer als die Generatorfrequenz ist. 3. The device according to one of the preceding claims, characterized in that the upper limit frequency is at least 1,000 times greater than the generator frequency.
4. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Reglers (8) direkt mit der Probe (1) verbunden ist oder dass der Ausgang des Reglers (8) über einen Widerstand mit der Messsonde (2) verbunden ist. 4. The device according to one of the preceding claims, characterized in that the output of the controller (8) is connected directly to the sample (1) or that the output of the controller (8) is connected to the measuring probe (2) via a resistor .
5. Die Vorrichtung (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Signalgenerator aufweist oder mit einem Signalgenerator verbindbar ist, der dazu eingerichtet ist, die Probe (1) mit einem vordefinierten 5. The device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the device has a signal generator or can be connected to a signal generator which is set up to the sample (1) with a predefined
Testsignal, aufweisend eine konstante Amplitude, zu beaufschlagen, so dass aus dem Vergleich des Testsignals mit der Verstärkerspannung am Verstärkerausgang eine Wechselspannungsverstärkung des Verstärkers (6) ermittelt werden kann. To apply a test signal, having a constant amplitude, so that an AC voltage gain of the amplifier (6) can be determined from the comparison of the test signal with the amplifier voltage at the amplifier output.
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