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

, ,