DESIGN OF THE CONTACT POTENTIALS DIFFERENCE PROBES

The contact potential difference probes distinguished by great variety and produced mostly in the laboratory for specific experimental applications. As a rule, they consist of commercially available instrumentation, and have a number of disadvantages: large dimensions, complexity and high cost, small sensitivity, operating speed, noiseproof, etc. The purpose of this paper is to describe the basic approaches to design of the small dimension, complete contact potential difference probes, providing high sensitivity, operating speed, and noise immunity. In this paper the contact potential difference probe, which is a electrometer with dynamic capacitor plate at about 0.1–5 mm2 . These probes are could be used in scanning systems, such as a Scanning Kelvin Probe, as well as for controlling system of manufacturing processes, e.g. under friction. The design of such contact potential difference probes conducted using modern electronic components, unique circuitry and design solutions described in detail at paper. The electromechanical modulator applied for mechanical vibrations of the reference sample. To provide a high amplitude and phase stability the upgraded generator with Wien bridge was used instead traditional oscillation sensor. The preamplifier made on the base of modern operational amplifiers with femtoampere current input. The power of the preamplifier designed with «floating ground». It allows keeping the relation constant potential to the probe components when changing over a wide range the compensation voltage. The phase detector-integrator based on the electronic antiphase switches with the modulation frequency of the contact potential difference and the integrator. Fullwave phase detection would greatly increase the sensitivity of the probe. In addition, the application of the phase detection allows suppressing noise and crosstalk at frequencies different from the modulation frequency. The preamplifier and the reference sample mounted on a flexible printed circuit board and the edge mechanically connected with a vibrator. Modulator, phase detector-integrator, and other electronic components placed on a separate board. This design contributes to reduce the influence of electromagnetic interference and noise as well as removing microphonic effects, etc

CONTROL OF METAL SURFACES MACHINED IN ACCORDANCE WITH THE DIAMOND NANOMACHINING TECHNOLOGY BASED ON THE ELECTRON WORK FUNCTION

Dimensional machining technology is based on the use of integrated geometric parameters of machined surfaces. Technological impact of a pick results in oxidation processes and changes in physic-chemical parameters of surface. Control of only geometric parameters is insufficient to describe characteristics of machining and formation of ultra-smooth surfaces. The electron work function is therefore used. The aim of the work was to study electrophysical states of optic surfaces of non-ferrous metals and alloys in relation to geometric and physic-chemical parameters according to the distribution of the electron work function over the surface. We conducted the study on experimental metal samples made of copper and aluminum alloy, machined in accordance with the diamond nanomachining technology. The diamond nanomachining technology would be capable of ensuring the roughness of non-ferrous metals and alloys machined at the level of Ra ≤ 0,005 µm. Modernized Kelvin probe was used as the registration technique of the changes of the electron work function over the surface. Dependence between the electron work function value, as well as its alteration and the physicchemical and geometric parameters of a surface has been determined. It has been shown that the diamond nanomachining technology makes it possible to obtain electro-physically uniform optical surfaces on copper and aluminum alloy with the minimal range of the distribution of the electric potential over the surface

ПОСТРОЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ

The contact potential difference probes distinguished by great variety and produced mostly in the laboratory for specific experimental applications. As a rule, they consist of commercially available instrumentation, and have a number of disadvantages: large dimensions, complexity and high cost, small sensitivity, operating speed, noiseproof, etc. The purpose of this paper is to describe the basic approaches to design of the small dimension, complete contact potential difference probes, providing high sensitivity, operating speed, and noise immunity. In this paper the contact potential difference probe, which is a electrometer with dynamic capacitor plate at about 0.1–5 mm2 . These probes are could be used in scanning systems, such as a Scanning Kelvin Probe, as well as for controlling system of manufacturing processes, e.g. under friction. The design of such contact potential difference probes conducted using modern electronic components, unique circuitry and design solutions described in detail at paper. The electromechanical modulator applied for mechanical vibrations of the reference sample. To provide a high amplitude and phase stability the upgraded generator with Wien bridge was used instead traditional oscillation sensor. The preamplifier made on the base of modern operational amplifiers with femtoampere current input. The power of the preamplifier designed with «floating ground». It allows keeping the relation constant potential to the probe components when changing over a wide range the compensation voltage. The phase detector-integrator based on the electronic antiphase switches with the modulation frequency of the contact potential difference and the integrator. Fullwave phase detection would greatly increase the sensitivity of the probe. In addition, the application of the phase detection allows suppressing noise and crosstalk at frequencies different from the modulation frequency. The preamplifier and the reference sample mounted on a flexible printed circuit board and the edge mechanically connected with a vibrator. Modulator, phase detector-integrator, and other electronic components placed on a separate board. This design contributes to reduce the influence of electromagnetic interference and noise as well as removing microphonic effects, etc. Измерители контактной разности потенциалов отличаются большим многообразием и изготавливаются в основном в лабораторных условиях для конкретных экспериментальных задач. Как правило, они состоят из серийно выпускаемых измерительных приборов и поэтому обладают рядом недостатков, например большими габаритами, сложностью и высокой стоимостью, низкими чувствительностью, быстродействием, помехозащищенностью и др. Целью работы являлось описание базовых подходов к разработке и конструированию малогабаритных, полностью сформированных измерителей контактной разности потенциалов, обеспечивающих высокую чувствительность, быстродействие и помехозащищенность. Для возбуждения механических колебаний эталонного образца применен электромеханический модулятор, в котором для обеспечения высокой амплитудно-фазовая стабильности используется модернизированный генератор с мостом Вина, что обеспечивает захват и поддержание частоты механического резонансного колебания без традиционно используемого датчика колебаний. Предусилитель выполнен на базе операционных усилителей с фемтоамперными входными токами. Питание предусилителя выполнено с «плавающей землей», что позволяет сохранить соотношения потенциалов компонентов зонда постоянными при изменении напряжения компенсации в широком диапазоне. Фазовый детектор-интегратор выполнен на основе противофазно коммутируемых с частотой модуляции контактной разности потенциалов электронных ключей и интегратора. Двухполупериодное фазовое детектирование позволяет в значительной степени повысить чувствительность. Для уменьшения влияния электромагнитных наводок и шумов, устранения микрофонного эффекта предварительный усилитель вместе с эталонным образцом смонтирован на гибкой печатной плате, отдельно от других электронных узлов.

Универсальный цифровой зондовый электрометр для контроля полупроводниковых пластин

Non-contact electrical methods are widely used for research and control of semiconductor wafers. The methods are usually based on surface potential measurement (CPD) in combination with illumination and/or deposition of charges on the sample using a corona discharge, and are also based on the measurement of surface photo-emf. By photo-EMF (SPV) it is possible to determine the lifetime of minor charge carriers, their diffusion length and detect traces of heavy metals on the surface. In addition, using photo-EMF it is possible to determine the surface resistance of the plate, some parameters of the dielectric layer on the surface and barrier photo-EMF (JPV). Electrical performance results reflect the influence of near-surface characteristics on the final performance of devices. The aim of the work was to develop a universal digital probe electrometer that implements various non-contact electrical methods for analyzing semiconductor wafers, in which the change in operating modes and configuration, transmission of the received data, remote testing and calibration are carried out via digital local control channels. This paper describes a universal digital probe electrometer developed by the authors, which implements the above-described non-contact electrical methods for analyzing semiconductor wafers (CPD, SPV and JPV), in which the change in operating modes and configuration, transmission of the received data, remote testing and calibration are carried out via digital local control channels. Due to their high speed, electrical characterization methods are suitable for inspecting semiconductor wafers during production. The results of testing the developed probe electrometer in CPD, SPV and JPV modes are presented, which reflect the effectiveness of the proposed approaches.Для исследования и контроля полупроводниковых пластин широко используются бесконтактные электрические методы, основанные на измерении потенциала поверхности (CPD) в сочетании с освещением и/или осаждением зарядов на образец с помощью коронного разряда, а также на измерении поверхностной фото-ЭДС (SPV). По фото-ЭДС возможно определение времени жизни неосновных носителей заряда, их диффузионную длину и обнаружение следов тяжелых металлов на поверхности. Кроме того, с использованием фото-ЭДС возможно определение поверхностного сопротивления полупроводниковой пластины, некоторые параметры слоя диэлектрика на поверхности и барьерную фото-ЭДС (JPV). Результаты измерения электрических параметров отражают влияние приповерхностных характеристик на конечные характеристики устройств. Целью работы являлась разработка универсального цифрового зондового электрометра, реализующего различные бесконтактные электрические методы анализа полупроводниковых пластин, в котором передача полученных данных, изменение конфигурации, удалённое тестирование и калибровка осуществляются по цифровым каналам локального управления. В работе описан разработанный авторами универсальный цифровой зондовый электрометр, реализующий описанные выше бесконтактные электрические методы анализа полупроводниковых пластин (CPD, SPV и JPV). Управление электрометром, включающее передачу полученных данных, изменение конфигурации, удалённое тестирование и калибровка, осуществляется по цифровым каналам локального управления. Благодаря высокому быстродействию методы определения электрических характеристик подходят для контроля полупроводниковых пластин в процессе производства. Приведены результаты тестирования разработанного зондового электрометра в режимах CPD, SPV и JPV, отражающие эффективность предложенных подходов

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ

Nowadays the technique of analog contact potential difference probes well developed. Due to the influence of various parasitic factors, analog probes has substantial errors. The integration time for automatic CPD compensation should be at least several seconds to achieve high accuracy measurements. The speed and the accuracy are essential, for example, for Scanning Kelvin Probes. The purpose of this paper is to develop a digital contact potential difference probe, with a higher accuracy and speed of measurements as compared to analog probe. The digital probe made on base of 32-bit microprocessor with a Cortex M4 core. Measuring cycle consists of at least two successive determinations of the output signal amplitude at different compensation voltage generated by the microcontroller. It allows synchronizing of the generated oscillations and reading of the measuring signals. Data arrays processed in real time of the Digital Signal Processing by microprocessor. In this case is possible computation of the root mean square value or determination of the desired spectral line of the signal after fast Fourier transformation. Both methods permit eliminate of random noise and spurious harmonics. The method provides the digital contact potential difference probe operation in large signal mode and with a large signal/noise ratio. This eliminates the error associated with the zero signal finding. Also the integration time for automatic CPD compensation of the measured value is not necessary, which significantly reduces the measurement time and eliminates errors of compensation and DAC. In addition, the microcontroller could control the movement of the probe during scanning and transfer data to the host computer on interface USB, etc.В настоящее время принципы построения аналоговых измерителей контактной разности потенциалов достаточно хорошо отработаны. Однако остаются и некоторые недостатки. Из-за влияния ряда паразитных факторов, аналоговые измерители имеют область неопределенности и значительную погрешность. Для достижения высокой точности требуется интеграция сигнала с постоянной времени не менее нескольких секунд. Скорость и точность измерения имеет существенное значение, например, для сканирующих зондов Кельвина (SKP). Целью настоящей работы является разработка цифрового измерителя контактной разности потенциалов, обладающего повышенной точностью и быстродействием, по сравнению с традиционными. Цифровой измеритель выполнен на базе 32-разрядного микропроцессора с ядром Cortex M4. Измерительный цикл состоит из двух последовательных определений амплитуды выходного сигнала при двух разных значениях напряжения компенсации, вырабатываемых микроконтроллером. Микроконтроллер также генерирует колебания вибратора, что позволяет осуществить общую синхронизацию генерации колебаний и считывания измерительного сигнала. Массив данных может быть обработан в режиме реального времени средствами цифровой обработки сигнала (DSP) микроконтроллера. При этом возможно вычисление среднеквадратичного значения или определение величины необходимой спектральной линии сигнала после быстрого преобразования Фурье. Оба метода позволяют отстроится от случайных помех и паразитных гармоник. Цифровой метод обеспечивает работу измерителя контактной разности потенциалов в режиме больших сигналов при большом соотношении сигнал/шум, что исключает область неопределенности, имеющуюся в аналоговом измерителе, и погрешность, связанную с поиском нулевого сигнала. Отсутствует необходимость интеграции для автокомпенсации измеряемой величины, что в несколько десятков раз (зависит от частоты колебаний динамического конденсатора) уменьшает время измерений и исключает погрешности следящей системы и цифро-аналогового преобразования. Кроме выполнения необходимых манипуляций по определению контактной разности потенциалов, микроконтроллер может также управлять перемещением зонда при сканировании, осуществлять передачу данных на хост-компьютер по USB интерфейсу и т.п.

Приборный ряд фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводников с собственной фотопроводимостью

One of the ways to solve multiple problems of optical diagnostics is to use photovoltaic converters based on semiconductors with intrinsic photoconductivity slightly doped with deep impurities which form several energy levels with different charge states within the semiconductor′s bandgap. Peculiarities of physical processes of recharging these levels make it possible to construct photodetectors with different functionality based on a range of simple device structures.The aim of this work is to analyze peculiarities of conversion characteristics of single-element photovoltaic converters based on semiconductors with intrinsic photoconductivity, to systematize their properties and to represent structures of photovoltaic convertors as a device structures suitable for implementation in measurement transducers of optical diagnostics systems.Based on the analysis of the characteristics of the conversion characteristics of single-element photovoltaic converters based on semiconductors with intrinsic photoconductivity and the requirements for their design, a dash series of photovoltaic converters was developed for use in the measuring transducers of optical diagnostics systems. The possibility of constructing functional measuring transducers for multiparameter measurements of optical signals is shown.Одним из способов решения многообразных задач оптической диагностики является использование фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводников с собственной фотопроводимостью, слабо легированных глубокими примесями, формирующими несколько уровней с разными зарядовыми состояниями в запрещённой зоне. Особенности физических процессов перезарядки этих уровней позволяют создавать фотоприёмники с различными функциональными возможностями на основе ряда простых приборных структур.Целью работы является анализ особенностей преобразовательных характеристик одноэлементных фотоэлектрических преобразователей на базе полупроводников с собственной фотопроводимостью, систематизация их свойств, и представление структур, представленных ФЭП в виде приборного ряда фотоэлектрических преобразователей для применения в измерительных преобразователях систем оптической диагностики.На основе анализа особенностей преобразовательных характеристик одноэлементных фотоэлектрических преобразователей на базе полупроводников с собственной фотопроводимостью и требований к их конструкции разработан приборный ряд фотоэлектрических преобразователей для применения в измерительных преобразователях систем оптической диагностики. Показана возможность построения функциональных измерительных преобразователей для многопараметрических измерений оптических сигналов

Интеллектуальный сенсор для измерительных систем, работающих по схеме синусоидальное возбуждение – отклик

Measuring devices and systems containing sensors that require sinusoidal excitation are widely used in information and measurement technology both in production conditions and in research practice. Examples include various types of metal detectors, eddy current flaw detectors, analyzers of liquid media, electrometers with a dynamic capacitor, etc. The aim of the work was to develop the optimal architecture and algorithms for the operation of intelligent sensors intended for use in measuring systems operating according to the sinusoidal excitation – response scheme.This paper describes the approach proposed by the authors to the construction of intelligent sensors based on modern microcontrollers, the distinctive feature of which is the continuous generation of sinusoidal excitation and reading responses in the background, as well as setting the readiness flags for data processing in the main process of the microprocessor, which ensures uninterrupted execution of background processes, the main of which is the generation of a sinusoidal excitatory action.This approach has been tested in the development of charge-sensitive surface mapping systems, such as the Kelvin probe based on a vibrating capacitor, and the surface photo voltage probe for the case of semiconductors.Измерительные приборы и системы, содержащие датчики, требующие синусоидальное возбуждающее воздействие, широко используются в информационно-измерительной технике как в производственных условиях, так и в исследовательской практике. В качестве примеров можно привести различные типы металлоискателей, вихретоковые дефектоскопы, анализаторы жидких сред, электрометры с динамическим конденсатором и др. Целью работы являлась разработка оптимальной архитектуры и алгоритмов работы интеллектуальных сенсоров, предназначенных для использования в измерительных системах, работающих по схеме синусоидальное возбуждение – отклик.В настоящей работе описан предложенный авторами подход к построению интеллектуальных сенсоров на базе современных микроконтроллеров, отличительной особенностью которого является непрерывная генерация синусоидальных воздействий и считывание откликов в фоновом режиме, а также выставление флагов готовности для обработки данных в основном процессе микропроцессора, что обеспечивает бесперебойное выполнение фоновых процессов, главным из которых является генерация синусоидального возбуждающего воздействия.Данный подход опробован при разработке систем картирования поверхностей зарядочувствительными методами, такими как зонд Кельвина, на основе динамического конденсатора, и зонд поверхностной фото-ЭДС для случая полупроводников

КОНТРОЛЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ОБРАБОТАННЫХ АЛМАЗНЫМ НАНОТОЧЕНИЕМ, ПО РАБОТЕ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА

Dimensional machining technology is based on the use of integrated geometric parameters of machined surfaces. Technological impact of a pick results in oxidation processes and changes in physic-chemical parameters of surface. Control of only geometric parameters is insufficient to describe characteristics of machining and formation of ultra-smooth surfaces. The electron work function is therefore used. The aim of the work was to study electrophysical states of optic surfaces of non-ferrous metals and alloys in relation to geometric and physic-chemical parameters according to the distribution of the electron work function over the surface. We conducted the study on experimental metal samples made of copper and aluminum alloy, machined in accordance with the diamond nanomachining technology. The diamond nanomachining technology would be capable of ensuring the roughness of non-ferrous metals and alloys machined at the level of Ra ≤ 0,005 µm. Modernized Kelvin probe was used as the registration technique of the changes of the electron work function over the surface. Dependence between the electron work function value, as well as its alteration and the physicchemical and geometric parameters of a surface has been determined. It has been shown that the diamond nanomachining technology makes it possible to obtain electro-physically uniform optical surfaces on copper and aluminum alloy with the minimal range of the distribution of the electric potential over the surface. Технология размерной обработки резанием базируется на использовании интегральных геометрических параметров поверхности твердого тела. Технологическое воздействие резца приводит к процессам окисления и изменению физико-химических параметров поверхности. Для описания характеристик обработки и формирования сверхгладких поверхностей контроль геометрических параметров оказывается недостаточным. Поэтому используется параметр работа выхода электрона. Целью работы являлось исследование электрофизического состояния оптических поверхностей цветных металлов и сплавов в совокупности с геометрическими и физико-химическими параметрами по распределению работы выхода электрона поверхности. Исследование проводилось на экспериментальных образцах из меди и алюминиевого сплава, обработанных по технологии алмазного наноточения. Технология алмазного наноточения позволяет обеспечить шероховатость обработки цветных металлов и сплавов на уровне Ra ≤ 0,005 мкм. В качестве метода регистрации изменений по поверхности работы выхода электрона использовался модернизированный зонд Кельвина. Определена зависимость величины работы выхода электрона и ее изменение от физико-химических и геометрических параметров поверхности. Показано, что технология алмазного наноточения позволяет получать элетрофизически однородные оптические поверхности на меди и алюминиевом сплаве с минимальным разбросом распределения по поверхности электропотенциала.

Зарядочувствительный метод исследования деформационных процессов

Surface charge can be used as an information parameter about the change in the state of the material under the action of mechanical stresses. The aim of the work was to develop methods for studying deformation processes in metallic and polymeric materials using a charge-sensitive method.Experimental studies of deformation processes under tensile, compressive and impact loads were carried out on samples of various materials: aluminum alloy of AMg2 grade, steel of grade 08PS, high-pressure polyethylene of grade 12203-250 and samples of composite materials based on it, F4 polytetrafluoroethylene. As a research method, the analysis of changes in the relative values of the surface electron work function in the case of metals and the surface electrostatic potential in the case of polymers and composite materials is used. A scanning modification of a charge-sensitive probe is used as a measuring instrument.The results of experimental studies of materials in a stress-strain state demonstrate the high efficiency of the proposed method. The research methodology makes it possible to detect local changes in the surface potential of the material in the area of deformations, which are not detected on a macroscopic scale using standard methods. The results obtained can serve as a basis for the development of new methods and techniques for studying the mechanical properties of both metals and dielectric materials. В качестве информационного параметра об изменении состояния материала под действием механических напряжений может быть использован поверхностный электростатический потенциал (заряд). Целью работы являлась отработка методик исследования деформационных процессов в металлических и полимерных материалах с использованием зарядочувствительного метода.Проведены экспериментальные исследования деформационных процессов при растягивающих, сжимающих и ударных нагрузках на образцах различных материалов: алюминиевый сплав марки АМг2, сталь марки 08ПС, полиэтилен высокого давления марки 12203-250 и образцы композиционных материалов на его основе, фторопласт-4. В качестве метода исследований использовался анализ изменений относительных значений работы выхода электрона поверхности в случае металлов и поверхностного электростатического потенциала в случае матричных и композиционных полимерных материалов. В качестве средств измерений использовалась сканирующая модификация зарядочувствительного зонда.Результаты экспериментальных исследований материалов в напряжённо-деформированном состоянии демонстрируют высокую эффективность предложенного метода. Методика исследований позволяет обнаруживать локальные изменения поверхностного потенциала материала в области действия деформаций, которые не обнаруживаются в макроскопическом масштабе с использованием стандартных методов. Полученные результаты могут служить базой для разработки новых методов и методик исследования механических свойств как металлов, так и диэлектрических материалов

АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОЛИМЕРОВ МОДИФИЦИРОВАННЫМ ЗОНДОМ КЕЛЬВИНА

At present for analysis of the homogeneity of materials properties are becoming widely used various modifications of a scanning Kelvin probe. These methods allow mapping the spatial distribution of the electrostatic potential. Analysis of the electropotential profile is not sufficient to describe any specific physical parameters of the polymer nanocomposites. Therefore, we use an external energy impact, such as light. Purpose of paper is the modification of the Kelvin scanning probe and the conduct of experimental studies of the spatial distribution and response of the electrostatic potential of the actual polymer nanocomposites to the optical probing.Carried out the investigations on experimental Low density polyethylene composites. Carbon nanomaterials and nanoparticles of silicon dioxide or aluminum as fillers are used. As a result, maps of the spatial distribution of the electrostatic potential relative values and the surface photovoltage. Statistical analysis of the electrophysical and photoelectric properties homogeneity, depending on the component composition of the composites carried out. In addition, with reference to matrix polymers, the Kelvin scanning probe, in combination with the optical probing, made it possible to detect a piezoelectric effect. The latter, can used as a basis for the development of new methods for studying the mechanical properties of matrix polymers.В настоящее время для анализа однородности свойств материалов широкое распространение получают различные модификации сканирующего зонда Кельвина, позволяющие картировать пространственное распределение электростатического потенциала поверхности. В случае диэлектриков анализ однородности электропотенциального профиля не является достаточным для описания каких-либо конкретных физических параметров. Поэтому используется внешнее энергетическое воздействие, в частности оптическое излучение. Целью данной работы являлись модификация сканирующего зонда Кельвина и проведение экспериментальных исследований пространственного распределения электростатического потенциала актуальных композитных полимеров и его отклика на зондирующее воздействие оптическим излучение.Исследования выполнены на опытных образцах композитов на основе полиэтилена высокого давления, наполненных углеродным наноматериалом и наночастицами диоксида кремния или алюминия. В результате исследования получены карты пространственного распределения относительных значений электростатического потенциала и поверхностной фото-ЭДС. Проведен статистический анализ однородности электрофизических и фотоэлектрических свойств композитов в зависимости от их компонентного состава. Также применительно к матричным полимерам сканирующий зонд Кельвина в совокупности с оптическим зондированием позволил обнаружить пьезоэлектрический эффект. Последнее может быть использовано в качестве основы для разработки новых методов исследования механических свойств матричных полимеров