Датчик электрических полей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Минское производственное объединение Горизонт(73) Патентообладатели Минское производственное объединение Горизонт, Научно-исследовательский институт цифрового телевидения Минского производственного объединения Горизонт(57) Датчик электрических полей, содержащий экранирующий электрод, измерительный электрод и усилительный элемент, электрически связанный с измерительным электродом, отличающийся тем, что экранирующий и измерительный электроды выполнены в виде пленочных металлических слоев, разделены неполярным диэлектриком и размещены на усилительном элементе, выполненном в виде полевой триодной структуры, а электрическая связь с измерительным электродом осуществлена через расположенный на поверхности канала полевой триодной структуры полярный диэлектрик, при этом на поверхности затвора полевой триодной структуры размещены поочередно слой полярного диэлектрика и проводящий слой, подключенный к выходу инвертора, вход которого соединен с входным электродом полевой триодной структуры. Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в технике бесконтактного измерения электрических сигналов, для измерения напряженности статических и квазистатических электрических полей. Известен датчик электрических полей, действующий на основе эффекта Поккельса, который описан в 1. Преобразователь обладает сложной конструкцией, низкой стабильностью параметров и невысокой надежностью работы. Известны датчики электрических полей динамического типа, содержащие усилитель, неподвижный измерительный электрод и подвижный вибрирующий экран 2. Эти преобразователи обладают большими га 3227 1 баритами, сложной конструкцией, невысокой надежностью работы. Прототипом предлагаемого изобретения является датчик электрических полей, описанный в 3. Он содержит вращающийся экранирующий электрод, неподвижный измерительный электрод, соединенный электрически с усилительным элементом, а также электродвигатель вращения экрана и систему его питания. Недостатками устройства-прототипа являются 1. Невысокая надежность работы преобразователя, обусловленная наличием в его конструкции электродвигателя с нестабильной частотой вращения вала. 2. Сложность конструкции преобразователя и значительные его габариты, вследствие наличия электродвигателя и блока его питания. 3. Невысокая чувствительность Е 1,6 В/м, поскольку измерительный электрод и усилительный элемент пространственно разделены, что обусловливает затухание во входной цепи сигнала с измерительного электрода и появления в ней дополнительных помех. 4. Невысокая точность устройства контроля электрических полей с преобразователем-прототипом(погрешность 630 ) вследствие нестабильности частоты вращения, потерь и дополнительных помех во входной цепи, дискретных, не соответствующих оптимальному времени накопления индуцированного заряда на измерительном электроде и его стекания на стадии экранирования и экспонирования. Задачей изобретения является повышение чувствительности и точности измерения напряженности электрических полей. Поставленная задача достигается тем, что в датчике электрических полей, содержащем экранирующий электрод, измерительный электрод и усилительный элемент, электрически связанный с измерительным электродом, экранирующий и измерительный электроды выполнены в виде пленочных металлических слоев,разделены неполярным диэлектриком и размещены на усилительном элементе, выполненном в виде полевой триодной структуры, а электрическая связь с измерительным электродом осуществлена через расположенный на поверхности канала полевой триодной структуры полярный диэлектрик, при этом на поверхности затвора полевой триодной структуры размещены поочередно слой полярного диэлектрика и проводящий слой,подключенный к выходу инвертора, вход которого соединен с входным электродом полевой триодной структуры. Вследствие того, что предложенный датчик электрических полей сформирован твердотельной многослойной структурой, причем усилительный элемент выполнен МДП-триодной структурой на его верхней стороне последовательно и послойно расположены экранирующий электрод, слой неполярного диэлектрика, измерительный электрод и слой полярного диэлектрика, а на его нижней стороне расположены слой полярного диэлектрика и проводящий слой, который электрически связан через инвертор с выходным электродом триодной структуры, достигается поставленная задача - более чем в два раза возрастает чувствительность (с 1,6 В/м у прототипа до 0,65 В/м у заявляемого датчика) и более чем в пять раз (с 30 до 3,5 ) снижается погрешность измерения. Изложенная сущность изобретения поясняется фигурой, где изображена в разрезе структура датчика электрических полей. Конструктивно датчик электрических полей состоит из усилительного элемента 1, выполненного МДПтриодной структурой, содержащей -области входного и выходного электродов (истока и стока), соединенных каналом -типа и р-полупроводникового основания, на верхней стороне которого, т.е. на поверхности канала, сформирован слой полярного диэлектрика 2, на котором размещен измерительный электрод 3 с омическим выводом из проводящего материала. На измерительный электрод 3 и всю оставшуюся верхнюю сторону усилительного элемента 1 нанесен слой неполярного диэлектрика 4, на который нанесен экранирующий электрод 5 из проводящего материала. На нижней стороне усилительного элемента 1 по всей поверхности его р-области размещен слой полярного диэлектрика 6, на котором расположен проводящий слой 7, наружная поверхность которого электрически соединена через инвертор 8 с входным электродом триодной структуры. Усилительный элемент 1 имеет омический контакт (вывод) от его входной, истоковой -области, который через резистор 9 соединен с полюсом питающего напряжения, и омический контакт (вывод) 10 от выходной, стоковой -области, соединенный через нагрузочный резистор 11 с корпусом. Измерительный электрод 3 и экранирующий электрод 5 коммутируются на корпус (землю) контактной группой 12, причем измерительный электрод 3 коммутируется на корпус через резистор 13. Полупроводниковое основание МДП-триодной структуры выполняется из полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, напримерр-типа проводимости, и возможностью эффективного формирования в нем путем диффузии, эпитаксии, либо ионной имплантации истоковой, стоковой области обратной (-типа) проводимости и проводящего канала между ними. В качестве материала основания используются германий, кремний, арсенид галлия. Линейные размеры канала, т.е. его контактирующая с полярным диэлектриком 2 наружная поверхность, площадь которой соответствует площади полярного диэлектрика 2, определяются требуемой чувствительностью и крутизной преобразования входного сигнала. Как показали результаты эксперимента, эффективная толщина канала при отсутствии питающего напряжения и напряжения сигнала составляет 0,32 мкм, толщина базового р-слоя составляет 2 3227 1 10500 мкм, а соотношение ширины и длины 10111. Истоковая и стоковая -области имеют омические контакты 10 из омических материалов для используемого полупроводника (, , Те). Можно применять типовые полевые структуры со стандартными их геометрическими размерами. На -канал усилительного элемента 1 нанесен слой полярного диэлектрика 2 с абсолютной диэлектрической проницаемостью ап 10, например из окислов титана, толщина которого определяется полной степенью изоляции измерительного электрода 3 от канала, максимально формируемым в нем зарядом для данного типа диэлектрика и механизмом его поляризации. Слой полярного диэлектрика 2 должен иметь хорошее сопряжение по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) и формироваться на полупроводниковом основании слоем однородной структуры. Толщина слоя 2 составляет 110 мкм. На всю наружную поверхность слоя полярного диэлектрика 2 наносится измерительный электрод 3 из материала,имеющего хорошее сопряжение по температурному коэффициенту линейного расширения и обеспечивающего хорошую границу контакта металл-диэлектрик. Толщина слоя металла составляет - 0,5-2 мкм. Слой неполярного диэлектрика 4, нанесенный на всю верхнюю сторону (поверхность) усилительного элемента 1, выполнен из материала, обладающего близким к полярному диэлектрика 2 ТКЛР высокими изоляционными свойствами и однородной структурой. Толщина его зависит от размеров измерительного электрода и составляет 2100 мкм. На слое неполярного диэлектрика 4 над измерительным электродом 3 размещен внешний экранирующий электрод 5, площадь которого равна или больше площади измерительного электрода 3, а его оптимальная толщина составляет 15 мкм. Полярный диэлектрик 6, размещенный на нижней стороне усилительного элемента 1, площадь которого соответствует площади полупроводникового р-основания, изготовлен из того же материала, что и полярный диэлектрик 2, и его толщина составляет 110 мкм. На слое полярного диэлектрика 6 размещен проводящий слой 7 из материала, аналогичного материалу экранирующего электрода. Его толщина составляет 15 мкм. Сформированная структура датчика электрических полей с помощью клея крепится на диэлектрическом(ситалловом) основании и размещается в металлическом корпусе (на фигуре не показано). Для нормального функционирования датчика электрических полей в истоковую цепь включается нагрузка (резистор) 11 и к сток-истоковым электродам 10 питающее напряжение п прямой полярности. Для повышения чувствительности и точности измерения напряженности электрического поля, т.е. решения поставленной задачи в цепь входного электрода (истока) включен резистор 9, который через инвертор 9 подключен к проводящему слою 7. Полюс источника питания, подключенного к нагрузочному резистору 11, заземлен. В качестве инвертора 8 может использоваться операционный усилитель с высоким коэффициентом усиления К. При помещении датчика электрических полей в зону действия контролируемого внешнего поля Е и в момент, когда контактная группа 12 разомкнута, т.е. на стадии экспонирования, экранирующий электрод 5 является прозрачным и на измерительном электроде 3 площадьювозникает наведенный заряданЕ (1),который создает потенциаланЕ/С (2),где ан - абсолютная диэлектрическая проницаемость неполярного диэлектрика, Е - напряженность внешнего электрического поля, действующая на измерительный электрод 3, С - емкость измерительного электрода. В области канала усилительного элемента 1 будет действовать потенциал канЕ/С, т.е. примерно в 1 ап/ан раз больший потенциала измерительного электрода, обеспечивая более высокие скорости нарастания потенциала, действующего на канал, более высокие нарастания выходного тока и более высокую чувствительность преобразователя. Одновременно, поскольку проводящий слой 7 электрически соединен через инвертор 8 с резистором 9, на его подается усиленное инвертором напряжение , снимаемое с резистора 9 и пропорциональное контролируемой напряженности поля Е. Его полярность обратна полярно-сти потенциала измерительного электрода, т.е. полярности контролируемого поля Е. В результате на полупроводниковую подложку будет действовать потенциал пКапЕ/(К - коэффициент пропорциональности), усиленный за счет слоя полярного диэлектрика 6, который еще более повышает скорость нарастания выходного тока, то есть крутизну усилительного элемента и его чувствительность. Если, например, действует поле положительной полярности, усилительный элемент 1 работает в режиме обогащения, т.е. в него из области подложки входят дополнительные электроны, причем приток электронов существенно возрастает вследствие действия на полупроводниковую подложку отрицательного потенциала из полярного диэлектрика 6. При обработанной полярности измеряемого поля потенциал проводящего слоя 7 будет осуществлять отток электронов из канала. При подключении экранирующего электрода 5 с помощью контактной группы 12 электронного коммутатора на землю, т.е. на стадии экранирования этот электрод полностью изолирует измерительный электрод 3 от внешнего поля Е и накопленный в нем заряд нейтрализуется через импеданс 13, обычно резистивного или резистивно-емкостного типа. Осуществляя периодическое экспонирование - экранирование измерительного электрода 3, на нем формируется переменный электрический сигнал, представляющий переменное напряжение от/ при экспонировании до нуля при экранировании. Переменное напряжение на измерительном электроде 3 создает ток во входной цепи МДП-триодной структуры 3 3227 1///вх (3),причем напряжение во входной цепи вхвх, где- мгновенное значение напряжения на измерительном электроде, в - полное входное сопротивление МДП-триодной структуры. Усиленное действием слоев 2 и 6 полярных диэлектриков входное напряжение в воздействует на канал МДП-триодной структуры, возбуждая в выходной цепи ток выхвх, (4) гдекрутизна переходной характеристики МДП-триодной структуры. Изменение заряда на измерительном электроде 3, а следовательно, ток во входной цепи МДП-триодной структуры и входное напряжение в, включает их возрастание на стадии экспонирования (, ) и спад на стадии экранирования (-, -)./1-/2, (5) где 1- время экспонирования измерительного электрода 3, 2 к - время экранирования измерительного электрода 3. Для повышения чувствительности и точности измерений необходимо оптимизировать ток во входной цепи МДП-триодной структуры, поскольку вхвх. Это достигается в случае, если время экспонирования равно постоянной времени 1 индуцирования на измерительном электроде максимально возможного для данного значения внешнего поля заряда, т.е.1 и время экранирования измерительного электрода равно времени считывания сигнала 2, соответствующего времени полной нейтрализации заряда на измерительном электроде 3 через импеданс 13, т.е. к 2. Обычно 110-310-5 с, а 210-310-4 с. Выходной ток на сопротивлении нагрузки 11 усилительного элемента 1, к которому прикладывается п 5 В, выделяет усиленное напряжение выхвхн/вхКЕ, (6) где К(н/в)1(/) - коэффициент пропорциональности- внутренний коэффициент усиления по напряжению н - нагрузочное сопротивление выходной цепи - элемент 11. Следовательно, в выходной цепи датчика электрических полей на нагрузке 11 выделяется усиленный сигнал, пропорциональный напряженности измеряемого электростатического поля. Создан экспериментальный образец датчика электрических полей, МДП-триодная структура которого создавалась на основе высокоомного кремния р-типа. Слои полярных диэлектриков 2 и 6 формировались из титаната бария с 100 толщиной - 2 мкм слой неполярного диэлектрика формировался из окиси кремния толщиной 10 мкм, экранирующий, измерительный электрод и проводящий слой формировались из алюминия толщиной 1,5-2 мкм. Размер структуры преобразователя 5 х 5 мм, которая наклеивалась на ситалловую подложку размером 10 х 10 мм и экранировалась. В окне общего экрана размещается экранирующий электрод, подверженный действию измеряемого электрического поля. Сформированный преобразователь электрических полей обладает пороговой чувствительностью 0,460,65 В/м и суммарной погрешностью 3,5 . Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4