СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА И ЕГО СРЕДНЕГО ПОЛОЖЕНИЯ В ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА И ЕГО СРЕДНЕГО ПОЛОЖЕНИЯ В ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ


RU (11) 2287835 (13) C2

(51) МПК
G01R 29/24 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2006.11.20 
(21) Регистрационный номер заявки: 2004136805/28 
(22) Дата подачи заявки: 2004.12.15 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2004.12.15 
(43) Дата публикации заявки: 2006.05.27 
(45) Опубликовано: 2006.11.20 
(56) Аналоги изобретения: RU 2231804 C1, 27.06.2004. RU 2156983 C1, 27.09.2000. SU 1688199 A1, 30.10.1991. US 5585730 A, 17.12.1996. JP 8-152449 A, 11.06.1996. 
(72) Имя изобретателя: Алейников Николай Михайлович (RU); Алейников Алексей Николаевич (RU); Попова Ирина Сергеевна (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (RU) 
(98) Адрес для переписки: 394006, г.Воронеж, Университетская пл., 1, ГОУ ВПО "Воронежский государственный университет", сектор защиты и коммерциализации объекта интеллектуальной собственности Управления НИР ВГУ 

(54) СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА И ЕГО СРЕДНЕГО ПОЛОЖЕНИЯ В ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

Изобретение относится к электротехническим измерениям и предназначено для экспрессного наблюдения изменений поверхностной плотности заряда и его среднего положения в плоских диэлектриках при различных воздействиях на его поверхность. Сущность: заряженный диэлектрик- образец размещают в зазоре измерительного вибрационного конденсатора. Держатель образца механически жестко соединяют с одним из электродов вспомогательного вибрационного конденсатора. При возбуждении механических колебаний образца частотой, значительно меньшей частоты вибрационного конденсатора, в цепи конденсатора возникает амплитудно-модулированный ток. Напряжение, пропорциональное этому току, подается на вход вертикального отклонения луча осциллографа. Перемещения образца преобразуются вспомогательным вибрационным конденсатором в электрическое напряжение, которое используется в качестве напряжения развертки луча осциллографа. По изменению наклона огибающих сигнала на экране осциллографа судят об изменении заряда. По перемещению точки пересечения огибающих судят об изменении его центра распределения. 3 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к электротехническим измерениям, предназначено для экспрессного наблюдения изменений поверхностной плотности реального (полного) заряда и его среднего положения в плоских диэлектриках в результате воздействия на поверхность образца, например, ультрафиолета, радиации, электронных или ионных пучков, температуры, механического воздействия и пр. и может быть использовано при диагностике электрического состояния поверхности различных диэлектрических материалов.

Способ основан на индуцировании тока в цепи динамического вибрационного конденсатора, между обкладками которого находится заряженный диэлектрик. Использование динамического конденсатора с вибрирующим электродом для измерения поверхностной плотности реального заряда r и его среднего положения в плоских диэлектриках известно, например, рассмотрено в патентах RU 2231804 [1], 1769157 [2], 1688199 [3] и 1471152 [4]. Во всех этих методах требуется изменять положение образца в зазоре конденсатора и для различных положений проводить измерения тока динамического конденсатора, что ограничивает применение методов при экспрессных наблюдениях быстро протекающих процессов перераспределения заряда в диэлектриках.

Более близким по технической сущности к предлагаемому способу является патент RU 2156983 [5], в котором для экспрессного наблюдения изменений поверхностного потенциала металлов или полупроводников применяется амплитудная модуляция внешним модулирующим напряжением тока динамического конденсатора, образованного эталонным вибрационным электродом и исследуемым образцом. Об изменениях поверхностного потенциала судят по перемещению точки пересечения огибающих амплитудно-модулированного сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа. Однако этот метод предназначен только для измерений поверхностного электростатического потенциала металлов и полупроводников и неприменим для измерений электрических параметров диэлектриков.

Задача, решаемая данным изобретением, - экспрессное наблюдение изменений поверхностной плотности реального заряда r и его среднего положения в плоских диэлектриках, вызванных различного рода внешними воздействиями.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения поверхностной плотности реального заряда и его среднего положения в плоских диэлектриках, основанном на возбуждении тока в цепи измерительного вибрационного конденсатора, в зазоре которого находится заряженный диэлектрик, согласно изобретению дополнительно используют вспомогательный вибрационный конденсатор, один из электродов которого механически жестко соединен с держателем образца, возбуждают механические колебания образца в направлении нормали к его поверхности с частотой не менее чем в 20-30 раз ниже частоты механических колебаний вибрационного электрода измерительного конденсатора, механические колебания образца преобразуют в электрическое напряжение, для чего на вспомогательный конденсатор подают постоянное напряжение, возникающий в цепи вспомогательного конденсатора ток интегрируют интегрирующим усилителем, напряжение с выхода которого подают на Х-вход осциллографа, а ток измерительного конденсатора преобразуют линейным усилителем в напряжение, которое подают на Y-вход осциллографа, при этом на экране осциллографа наблюдают амплитудно-модулированный сигнал, огибающие которого представляют две пересекающиеся прямые, регулируя постоянное напряжение на измерительном конденсаторе, добиваются такого напряжения Uк, при котором точка пересечения огибающих находится в центре экрана, исходную поверхностную плотность реального заряда определяют по формуле 0= 0Uк/l0, где 0=8,85·10-14 Ф/см - электрическая постоянная, l0 - равновесное расстояние между образцом и неподвижным электродом измерительного конденсатора, и последующие относительные изменения поверхностной плотности реального заряда отн, определяют по изменению наклона огибающих осциллограммы, а об изменении среднего положения заряда судят по перемещению точки пересечения огибающих, т.е.

и 

где 0 - угол наклона огибающих, соответствующий r0, - угол наклона огибающих, соответствующий новому значению плотности заряда r, - относительная диэлектрическая проницаемость образца, b - амплитуда механических колебаний образца, Х0 - исходное значение координаты точки пересечения огибающих на экране осциллографа, Х - новое положение точки пересечения огибающих в результате перераспределения заряда в образце, Хm - максимальное отклонение луча на экране в горизонтальном направлении.

На фиг.1 приведена схема, реализующая способ. Исследуемый образец 1 расположен в зазоре измерительного динамического конденсатора, образованного неподвижным электродом 2 и вибрационным электродом 3. Вспомогательный динамический конденсатор образован неподвижным электродом 4 и вибрационным электродом 5. Держатель 6 образца механически жестко соединен с электродом 5. От двухполярного регулируемого источника 7 на измерительный конденсатор подается постоянное напряжение, которое измеряется вольтметром 8. На вспомогательный конденсатор подается постоянное напряжение от однополярного источника 9. Гармонические колебания электрода 3 возбуждаются вибратором 10, а гармонические колебания держателя 6, а следовательно, образца 1 и электрода 5 возбуждаются вибратором 11. Возникающий в цепи измерительного конденсатора ток усиливается линейным усилителем 12, напряжение с выхода которого подается на Y-вход вертикального отклонения луча осциллографа 13. Ток вспомогательного конденсатора интегрируется и преобразуется в напряжение интегрирующим усилителем 14, с выхода которого напряжение, пропорциональное перемещению образца, подается на Х-вход горизонтального отклонения луча осциллографа.

Рассмотрим суть предлагаемого изобретения. Если при возбуждении механических колебаний образца 1 частотой и вибрационного электрода 3 частотой величина зазора между образцом и неподвижным электродом 2 изменяется, например, по закону l=l0+bcos , то при условии < в цепи измерительного конденсатора возникает амплитудно-модулированный ток I(t)=Im(t)cos t, амплитуда которого изменяется со временем [6].



где А - величина, зависящая от параметров измерительного динамического конденсатора и остающаяся в процессе измерений неизменной, - относительная диэлектрическая проницаемость образца, L - толщина образца, b - амплитуда механических колебаний образца 1, l0 - равновесное расстояние между образцом 1 и неподвижным электродом 2, U - напряжение на измерительном конденсаторе, r - поверхностная плотность реального заряда, L - поверхностная плотность эффективного (формального) заряда, приведенного к поверхности образца x=L, обращенной к вибрационному электроду. Величина является средним положением одномерно распределенного в диэлектрике заряда [6].

Для преобразования механических колебаний образца в электрическое напряжение применен вспомогательный конденсатор, емкость которого изменяется со временем. При напряжении U0 на конденсаторе и изменении зазора между электродами H=H0+bcos' t в цепи конденсатора возникает ток . В случае малых колебаний, когда b<H0 ,



где B=( 0S1b U0)/H0 2 - постоянная величина, определяемая параметрами вспомогательного конденсатора. S1 - площадь его обкладок. Чтобы получить напряжение, пропорциональное перемещению образца bcos' t, а не Bsin' t, необходимо проинтегрировать (2). Для этого в цепь вспомогательного конденсатора включен интегрирующий усилитель, напряжение с выхода которого подается на Х-вход осциллографа, т.е.



Преобразованный усилителем 12 ток (1) измерительного конденсатора в напряжение подается на Y-вход осциллографа. Осциллограмма, отражающая зависимость Im от положения образца в зазоре измерительного конденсатора, представляет амплитудно-модулированные колебания с линейно изменяющейся вдоль горизонтали амплитудой. Типичный вид осциллограммы показан на фиг.2. При чувствительности осциллографа по Х-входу =X/Ux=Xm/Uxm, где Х и Хm - отклонение луча по горизонтали при напряжении Ux и Uxm соответственно, положение луча на экране осциллографа Ym(X) с учетом (1) и (3) можно представить в виде линейной зависимости



где К - коэффициент преобразования, зависящий от постоянной А, коэффициента усиления усилителя 12 и чувствительности осциллографа. Огибающими амплитудно-модулированного сигнала будут две пересекающиеся прямые, наклон которых dY/dX=(K r)/Xm определяется плотностью реального заряда r, а точка пересечения огибающих зависит от среднего положения заряда в диэлектрике .

Возможности экспресс-метода проиллюстрируем на следующем примере.

1). Плоский незаряженный образец толщиной 1=2 мм, диэлектрической проницаемостью =3,8, помещен в зазор измерительного конденсатора при нулевом напряжении на его электродах на расстоянии l0=0,1 см от неподвижного электрода и вибрирует, например, с амплитудой b=10 мкм (10-3 см). Подставляя в (4) r=0, L=0, U=0, получим Ym(X)=0. Осциллограмма, соответствующая этому случаю, показана на фиг.3а.

2). Предположим, что в результате односторонней, например, механической обработки на поверхности образца, обращенной к неподвижному электроду (х=0) образовался заряд плотностью r0 и осциллограмма приняла вид фиг.3б.

3). Регулируя напряжение на измерительном конденсаторе, добьемся, чтобы при некотором напряжении, например, при U=Uк =60 В точка пересечения огибающих (фиг.3в) оказалась в центре экрана (Ym=0 при Х=Х0=0). Подставляя в (4) L=0, Х=Х0=0, Ym=0, U=U к, получим l0 r0- 0 Uк=0 и определим исходную плотность r0= 0 Uк/l0=(8,85·10-14 ·3,8·60)/0,1 2·10-10 Кл·см-2.

4). Предположим, что в результате воздействия на образец, например, ультрафиолетом заряд на поверхности х=0 изменился и осциллограмма приняла вид фиг.3г. Из изменения наклона огибающих следует, что плотность заряда r увеличилась вдвое, т.е. r отн= r/ r0=tg /tg 0 2 или r 4·10-10 Кл·см-2, где tg 0 - наклон огибающих до воздействия на образец ультрафиолетом, tg - после воздействия.

5). Допустим, что в результате, например, нагревания образца исходный заряд r0 не изменился, а перемещение точки пересечения огибающих (фиг.3д) на величину Х=Х-Х0 произошло в результате изменения среднего положения заряда и образования эффективного заряда плотностью L. Подставляя в (4) Ym=0, l0 r0- 0 Uк=0, X= X+Х0, Х0=0 и , получим . Из осциллограммы на фиг.3д следует, что при X m=4 деления сетки экрана и X=3 деления среднее положение заряда переместилось на см, что можно объяснить, например, диффузией заряда.

6). При одновременном изменении заряда r и его среднего положения будут изменяться наклон и положение точки пересечения огибающих. Осциллограмма на фиг.3е соответствует случаю, когда с увеличением величины r одновременно происходит перемещение среднего положения заряда в глубь образца.

Следует отметить, что метод эффективен при одностороннем заряжении поверхности диэлектрика. Это связано с тем, что при двухстороннем заряжении плоского диэлектрика, например зарядами противоположной полярности, среднее положение заряда может находиться далеко за пределами образца. В частности, в случае равенства разноименных зарядов по величине [6].

Литература

1. Алейников Н.М., Алейников А.Н. Способ измерения параметров остаточного заряжения плоских диэлектриков. Патент RU 2231804, 27.06.2004, G 01 R 29/12.

2. Алейников Н.М. Способ определения среднего положения заряда в диэлектриках. Патент SU 1769157, 15.10.1992, G 01 R 29/12.

3. Алейников Н.М. Способ определения среднего положения остаточного заряда диэлектриков. Патент SU 1688199, 30.10.1991, G 01 R 29/12.

4. Алейников Н.М. Способ определения плотности заряда в диэлектриках. Патент SU 1471152, 07.04.89, G 01 R 29/12.

5. Алейников Н.М., Алейников А.Н. Способ измерения изменений поверхностного потенциала. Патент RU 2156983, 27.09.2000, G 01 R 29/14. [прототип].

6. Алейников А.Н., Алейников Н.М. Индукционные методы определения параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов, "Материаловедение". - М., Наука и технологии, №3, с.26-33, 2002.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Способ наблюдения изменений поверхностной плотности реального заряда и его среднего положения в плоских диэлектриках, основанный на возбуждении тока в цепи измерительного вибрационного конденсатора, один из электродов которого вибрирует и в зазоре которого находится заряженный диэлектрик, отличающийся тем, что дополнительно используют вспомогательный вибрационный конденсатор, один из электродов которого механически жестко соединен с держателем образца, возбуждают механические колебания образца в направлении нормали к его поверхности с частотой не менее чем в 20-30 раз ниже частоты механических колебаний вибрационного электрода измерительного конденсатора, механические колебания образца преобразуют в электрическое напряжение, для чего на вспомогательный конденсатор подают постоянное напряжение, возникающий в цепи вспомогательного конденсатора ток интегрируют интегрирующим усилителем, напряжение с выхода которого подают на Х-вход осциллографа, а ток измерительного конденсатора преобразуют линейным усилителем в напряжение, которое подают на Y-вход осциллографа, при этом на экране осциллографа наблюдают амплитудно-модулированный сигнал, огибающие которого представляют две пересекающиеся прямые, регулируя постоянное напряжение на измерительном конденсаторе, добиваются такого напряжения Uк, при котором точка пересечения огибающих находится в центре экрана, исходную поверхностную плотность реального заряда определяют по формуле r0= 0Uк/l0, где 0=8,85·10-14 Ф/см - электрическая постоянная, l0 - равновесное расстояние между образцом и неподвижным электродом измерительного конденсатора, и последующие относительные изменения поверхностной плотности реального заряда отн определяют по изменению наклона огибающих осциллограммы, а об изменении среднего положения заряда судят по перемещению точки пересечения огибающих, т.е.

и 

где 0 - угол наклона огибающих, соответствующий r0; - угол наклона огибающих, соответствующий новому значению плотности заряда r; - относительная диэлектрическая проницаемость образца; b - амплитуда механических колебаний образца; Х0 - исходное значение координаты точки пересечения огибающих на экране осциллографа; Х - новое положение точки пересечения огибающих в результате перераспределения заряда в образце; Хm - максимальное отклонение луча на экране в горизонтальном направлении.




РИСУНКИ

, ,





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru