一种对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法

1.本发明属于精密测量领域，更具体地，涉及一种对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法。


背景技术：

2.材料微观区域的表面电势测量对于电子器件的微型化研究具有重要意义，现有的测量表面电势的实验方案中需要对源导体探针与待测样品间的姿态与间距进行精确调整与定位，需使用到多自由度位移台，并辅助以其他测量手段确定姿态、位置关系，存在测量程序复杂、效率低且成本高的问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法，能够在不受调节探针与待测样品间距影响的条件下完成对导体表面电势测量，具有测量方式简单、测量效率高且测量成本低的特点。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法，包括如下步骤：
5.(1)将待测样品固定在安装平台上，所述待测样品的表面与源导体探针的端面正对平行间隔布置；
6.(2)在所述源导体探针上加载周期性等腰三角波电压信号vs，利用所述源导体探针与所述待测样品间的静电力矩，使得所述源导体探针位置发生规律变化；
7.(3)检测所述源导体探针的位置变化信息，并根据所述位置变化信息向与所述源导体探针相连接的连接组件上施加一控制力矩，使得所述源导体探针保持平衡位置；其中，所述控制力矩通过加载在反馈执行机上的反馈控制电压信号产生，所述反馈执行机设置在所述连接组件上；
8.(4)当所述源导体探针保持平衡位置时，采集此时的反馈控制电压信号vf，并提取所述反馈控制电压信号vf中任一周期内的两个极值点所对应的时刻差δt，将所述时刻差δt代入公式计算得到待测样品表面的电势v
tm
；其中，a、b、t对应表示所述周期性等腰三角波电压信号vs的斜率、截距、周期。
9.本发明提供的对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法，不受限于探针与样品间的距离变化，可以在不用严格定位探针与样品的间距及姿态的情况下测量导体表面电势，测量方式简单，且不需要进行间距的精确调整，可节约测量成本，有效提高测量效率。
10.在其中一个实施例中，在步骤(2)中，利用交流调制电压源在所述源导体探针上加载周期性等腰三角波电压信号vs。
11.在其中一个实施例中，步骤(3)具体为：
12.通过位移传感器检测所述源导体探针的位置变化信息；
13.利用反馈控制器将所述位置变化信息进行pid运算后获得一反馈控制电压信号，并将所述反馈控制电压信号传给反馈执行机；
14.所述反馈执行机根据所述反馈控制电压信号产生一与所述静电力矩相等的控制力矩并施加在所述连接组件上，使得所述源导体探针保持平衡位置。
15.在其中一个实施例中，所述反馈执行机包括电容极板。
16.在其中一个实施例中，所述连接组件包括扭摆组件、悬臂梁组件或悬挂组件。
17.在其中一个实施例中，所述位移传感器采用电容传感器。
18.在其中一个实施例中，步骤(4)具体为：
19.当所述源导体探针保持平衡位置时，利用数据采集系统采集此时的反馈控制电压信号vf，并输出至计算机；
20.利用计算机提取所述反馈控制电压信号vf中任一周期内的两个极值点所对应时刻差δt，将所述时刻差δt代入公式计算得到待测样品表面的电势v
tm
。
附图说明
21.图1是本发明一实施例提供的对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法的流程图；
22.图2是本发明一实施例提供的反馈控制电压随时间的变化曲线图；
23.图3是本发明一实施例提供当探针与样品间距发生变化时，反馈控制电压随时间的变化曲线图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.针对现有的测量系统在进行导体表面电势测量时，需要先行调整待测样品与源导体探针的间距和姿态，存在测量程序复杂、效率低且成本高的问题。本发明提供了一种对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法，能够在不受调节探针与待测样品间距影响的条件下完成导体表面电势测量，具有测量方式简单、测量效率高且测量成本低的特点。
26.图1是本发明一实施例提供的对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法的流程图，如图1所示，该电势测量方法包括步骤s10～步骤s40，详述如下：
27.s10，将待测样品固定在安装平台上，待测样品的表面与源导体探针的端面正对平行间隔布置。
28.s20，在源导体探针上加载周期性等腰三角波电压信号vs，利用源导体探针与待测样品间的静电力矩，使得源导体探针位置发生规律变化。
29.在步骤s20中，在源导体探针上周期性等腰三角波电压信号vs，其目的是为了通过源导体探针与待测样品之间的静电力矩，将待测样品表面的电势的信息转化为静电力矩信息。
30.其中，周期性等腰三角波电压信号vs为：
[0031][0032]
式(1)中，a、b、t对应表示周期性等腰三角波电压信号vs的斜率、截距、周期。
[0033]
当源导体探针上周期性等腰三角波电压信号vs时，根据虚功原理可知，源导体探针和待测样品间的静电力矩可表示为：
[0034][0035]
式(1)中，c
p
表示源导体探针与待测样品间的电容；d
p
表示源导体探针与待测样品间的距离；v
tm
表示待测样品正对源导体探针区域的表面电势；l
p
表示静电力矩的力臂。
[0036]
s30，检测源导体探针的位置变化信息，并根据位置变化信息向与源导体探针相连接的连接组件上施加一控制力矩，使得源导体探针保持平衡位置；其中，控制力矩通过加载在反馈执行机上的反馈控制电压信号产生，反馈执行机设置在连接组件上。
[0037]
在步骤s30中，通过向与源导体探针相连接的连接组件上施加一与静电力矩等大的控制力矩，从而将静电力矩信息转化为控制力矩信息，而控制力矩又是通过在反馈执行机上施加的反馈控制电压信号得到，也即是说，当源导体探针保持平衡位置时，通过反馈执行机标定即可得到静电力矩和反馈控制电压信号的关系。
[0038]
s40，当源导体探针保持平衡位置时，采集此时的反馈控制电压信号vf，如图2所示，导体的表面电势可表示为：
[0039][0040]
式中，δti为反馈控制电压信号vf中每一周期内的两个极值点所对应的时刻差。
[0041]
重复n个周期后取平均，即可得到导体表面电势值：
[0042][0043]
当样品与探针的间距发生变化时，得到的反馈电压变化如图3所示，当样品与探针间距发生变化时，两个极值点所对应的时刻差值并不会改变，基于这个特性，本发明提供的电势测量方法并不受限于探针与样品间的距离变化，可以在不用严格定位探针与样品的间距及姿态的情况下测量导体表面电势，从而提高效率。
[0044]
本实施例提供的对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法，不受限于探针与样品间的距离变化，可以在不用严格定位探针与样品的间距及姿态的情况下测量导体表面电势，测量方式简单，且不需要进行间距的精确调整，可节约测量成本，有效提高测量效率。
[0045]
下面列举具体实施例，以进一步说明本发明提供的对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法的步骤。
[0046]
步骤1：将待测样品固定在安装平台上，待测样品的表面与源导体探针的端面正对平行间隔布置。
[0047]
步骤2：利用交流调制电压源在源导体探针上加载周期性等腰三角波电压信号vs，
利用源导体探针与待测样品间的静电力矩，使得源导体探针位置发生规律变化。
[0048]
需要说明的是，本实施例提供的源导体探针需设置在连接组件上，通过连接组件，使得该源导体探针在非工作状态下，保持与待测样品的端面正对平行间隔布置；在工作状态(加载周期性等腰三角波电压信号vs时)下，由于静电力矩发生位置规律变化。具体地，该连接组件可以是扭摆组件、悬臂梁组件或悬挂组件，具体采用何种结构可根据实际情况进行相应设置，本实施例不作限制。例如，当采用扭摆组件时，其具体结构可由支架和悬丝组成，支架悬挂在悬丝上构成扭摆，源导体探针设置在支架的一端面上。
[0049]
步骤3：通过位移传感器检测源导体探针的位置变化信息，并根据位置变化信息向与源导体探针相连接的连接组件上施加一控制力矩，使得源导体探针保持平衡位置；其中，控制力矩通过加载在反馈执行机上的反馈控制电压信号产生，反馈执行机设置在连接组件上。
[0050]
为更清楚地说明施加控制力矩的原理，还是以连接组件为扭摆组件为例，反馈执行机设置在连接组件上，具体可以为电容极板，当向电容极板施加一反馈控制电压信号时，因库伦定律，会在连接组件上产生与静电力矩等大的控制力矩，使支架保持相对静止，即使得源导体探针保持平衡位置。为使反馈控制器根据位置变化信息运算得到反馈控制电压更准确，本实施例可采用的电容传感器对源导体探针的位置进行测量。
[0051]
步骤4：当源导体探针保持平衡位置时，利用数据采集系统采集此时的反馈控制电压信号vf，并提取反馈控制电压信号vf中任一周期内的两个极值点所对应的时刻差δt，便可得到导体表面电势值，即使探针与样品的间距发生变化，两个信号点时刻差值也不发生改变，因此可以实现不受探针距离变化影响的测量。
[0052]
相比于传统的导体电势测量方法，本发明提供的一种对探针与样品间距变化不敏感的电势测量方法，能够在不受调节探针与待测样品间距影响的条件下完成导体表面电势测量，可大大节省了精确定位探针与样品间距的时间以及降低了导体表面电势测量的难度，为同一台测量仪器高效率更换样品、测量不同样品的导体表面电势创造了环境。
[0053]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。