pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2016-7-1-7-15pimi-235Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsПОСТРОЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВDESIGN OF THE CONTACT POTENTIALS DIFFERENCE PROBESПантелеевК. В.PantsialeyeuK. U.

Address for correspondence: Pantsialeyeu K.U. Belarusian National Technical University, Nezavisimosty Ave., 65, 220013, Minsk, Belarus e-mail: nil_pt@bntu.by

nil_pt@bntu.byМикитевичВ. А.MikitsevichU. A.nil_pt@bntu.byЖаринА. Л.ZharinA. L.nil_pt@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus20160606201671715Copyright © Пантелеев К.В., Микитевич В.А., Жарин А.Л., 20162016Пантелеев К.В., Микитевич В.А., Жарин А.Л.Pantsialeyeu K.U., Mikitsevich U.A., Zharin A.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/235

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. 

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. 

контактная разность потенциаловзонд Кельвинаизмеритель КРПработа выхода электронаcontact potential differenceCPDKelvin probeCPD probeelectron work functionReferencesNeuhaus, K. Scanning probe microscopy polarization experiments with polycrystalline Ce0.8Gd0.2 − x Prx O2 − δ and Ce0.8Y0.2O2 − δ single crystals at room temperature / K. Neuhaus [et al.] // Solid State Ionics. – 2015. – 6 p. (doi:10.1016/j.ssi.2015.12.012).Neuhaus K., Schulze-Küppersb F., Baumannb S., Ulbrichc G., Lerchc M., Wiemhöfera H. Scanning probe microscopy polarization experiments with polycrystalline Ce0.8Gd0.2 − x Prx O2 − δ and Ce0.8Y0.2O2 − δ single crystals at room temperature. Solid State Ionics, 2015, 6 p. (doi:10.1016/j.ssi.2015.12.012).Mazhar, M.E. Kelvin probe as an effective tool to develop sensitive p-type CuO gas sensors / M.E. Mazhar [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2015. – 22 p. (doi:10.1016/j.snb.2015.05.050).Mazhar M.E., Faglia G., Comini E., Zappa D., Baratto C., Sberveglieri G. Kelvin probe as an effective tool to develop sensitive p-type CuO gas sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 2015, 22 p. (doi:10.1016/j. snb.2015.05.050).Baytekin, H.T. The mosaic of Surface Charge in Contact Electrification / H.T. Baytekin [et al.] // Science. – 2011 – Vol. 333. – P. 308.Baytekin H.T., Patashinski A.Z., Branicki M., Baytekin B., Soh S., Grzybowski B.A. The mosaic of Surface Charge in Contact Electrification. Science, 2011, vol. 333, pp. 308–312.Casals, N. Influence of Mechanical Stress on the Potential Distribution on a 301 LN Stainless Steel Surface / N. Casals // Journal of The Electrochemical Society, 2015. – Vol. 9. – No 162. – P. 465–472.Casals N. Influence of Mechanical Stress on the Potential Distribution on a 301 LN Stainless Steel Surface. Journal of The Electrochemical Society, 2015, vol. 9, no.  162, pp. 465–472.Шаронов, Г.В. Контроль металлических поверхностей, обработанных алмазным наноточением, по работе выхода электрона / Г.В. Шаронов [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2015. – Т. 6, № 2. – С. 196–203.Sharonov G.V., Zharin A.L., Muhurov N.I., Pantsialeyeu K.U. [Control of metal surfaces, machined in accordance with diamond nanomachining technology, of the electron work function]. Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements], 2015, vol. 6, no. 2, pp. 196–203 (in Russian).Vorobey, R.I. Controlling the characteristics of photovoltaic cell based on their own semiconductors / R.I. Vorobey [et al.] // Przeglad Elektrotechniczny. – 2015. – No. 8. – P. 81–85.Vorobey R.I., Gusev O.K., Tyavlovsky A.K., Svistun A.I., Shadurskaja L., Yarzhembiyskaja N., Kerczynski K. Controlling the characteristics of photovoltaic cell based on their own semiconductors. Przeglad Elektrotechniczny, 2015, no. 8, pp. 81–85.Shuji, H. Surface state bands on silicon as electron systems in reduced dimensions at atomic scales / H. Shuji // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2000. – Vol. 12. – No. 35. – P. 463–495.7 Shuji H. Surface state bands on silicon as electron systems in reduced dimensions at atomic scales. Journal of Physics: Condensed Matter, 2000, vol. 12, no. 35, pp.  463–495.Kondo, A. Kelvin probe imaging of photo-injected electrons in metal oxide nanosheets from metal sulfide quantum dots under remote photochromic coloration / A. Kondo [et al.] // Nanoscale. – 2015. – No. 7. – P. 12510–12515.Kondo A., Yin G., Srinivasan N., Atarashi D., Sakaia E., Miyauchi M. Kelvin probe imaging of photoinjected electrons in metal oxide nanosheets from metal sulfide quantum dots under remote photochromic coloration. Nanoscale, 2015, no. 7, pp. 12510–12515.Жарин, А.Л. Методы зондовой электрометрии для разработки и исследования свойств перспективных материалов // Перспективные материалы и технологии: монография : в 2 т. / А.Л. Жарин, К.В. Пантелеев, А.К. Тявловский. – Витебск : Изд-во ВГТУ. – 2015. – Т. 1. – 398 с.Zharin A.L., Pantsialeyeu K.U., Tyavlovski A.K. [Methods probe electrometry for the development and study of the properties of advanced materials]. Perspectivnye materialy i tekhnologii: monografiya [Perspective materials and technologies: a monograph. In 2 Volumes]. Vitebsk, VSTU, vol. 2, 398 p. (in Russian).Li, G. Effect of thermal excitation on intermolecular charge transfer efficiency in conducting polyaniline / G. Li [et al.] // Applied physics letters. – 2004. – Vol. 85. – No. 7. – P. 1187–1189.Li G., Josowicz M., Janata J., Semancik S. Effect of thermal excitation on intermolecular charge transfer efficiency in conducting polyaniline. Applied physics letters, 2004, vol. 85, no. 7, pp. 1187–1189. 11. Klein U., Vollmann W., Paulo A. Contact potential differences measurement: Short history and experimental setup for classroom demonstration. IEEE Transactions on Education, 2003, no. 46(3), pp. 338–344.Klein, U. Contact potential differences measurement: Short history and experimental setup for classroom demonstration / U. Klein, W. Vollmann, A. Paulo // IEEE Transactions on Education. – 2003. – No. 46(3). – P. 338–344.Galembeck A., Costa C., Silva M., Souza E., Galembeck F. Scanning electric potential microscopy imaging of polymers: electrical charge distribution in dielectrics. Polymer, 2001, vol. 42, pp. 4845–4851.Galembeck, A. Scanning electric potential microscopy imaging of polymers: electrical charge distribution in dielectrics / A. Galembeck [et al.] // Polymer. – 2001. – Vol. 42. – P. 4845−4851.Zharin A.L. Application Macroand Micro Kelvin Probe in Tribological Studies. Fundamentals of Tribology and Bridging the Gap between the Macroand Micro/Nanoscales, Netherland, Kliwer Academic Publishers, 2001, pp. 445–466.Zharin, A.L. Application Macroand Micro Kelvin Probe in Tribological Studies / A.L. Zharin // Fundamentals of Tribology and Bridging the Gap between the Macroand Micro/Nanoscales. – Netherland : Kliwer Academic Publishers, 2001. – P. 445–466.Pantsialeyeu K.U., Svistun A.I., Zharin A.L. [Methods for local changes in the plastic deformation diagnostics on the work function]. Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements], 2015, vol. 10, no. 1, pp. 56–63 (in Russian).Пантелеев, К.В. Диагностика локальных изменений пластической деформации по работе выхода электрона / К.В. Пантелеев, А.И. Свистун, А.Л. Жарин // Приборы и методы измерений. – 2015. – № 1 (10). – С. 56–63.Pantsialeyeu K.U., Svistun A.I., Zharin A.L. [Methods for work function measurements for the test of a surface in a during friction]. Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements], 2014, no. 2(9), pp. 107–112 (in Russian).Пантелеев, К.В. Методы измерений работы выхода электрона для контроля состояния поверхностей в процессе трения / К.В. Пантелеев, А.И. Свистун, А.Л. Жарин // Приборы и методы измерений. – 2014. – № 2. – С. 107–113.Danyluk S., Dubanevich A.V., Gusev O.K., Svistun A.I., Tyavlovsky A.K., Tyavlovsky K.L., Vorobey  R.I., Zharin A.L. Kelvin probe’s stray capacitance and noise simulation. Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements], 2014, no. 1(8), pp. 94–98.Danyluk, S. Kelvin probe’s stray capacitance and noise simulation / S. Danyluk [et al.] // Приборы и методы измерений. – 2014. – № 1 (8). – С. 94–98.Bourdopoulos G., Pnevmatikakis A., Anastassopoulos V., Deliyannis T. Delta-sigma modulators: modeling, design and applications, London, Imperial College Press, 2003, 260 pp.Bourdopoulos, G. Delta-sigma modulators: modeling, design and applications / G. Bourdopoulos [et al.]. – London : Imperial College Press, 2003. – 260 p.Zharin A.L. Contact Potential Difference Techniques As Probing Tools in Tribology and Surface Mapping. Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology, Heidelberg, Springer-Verlag, 2010, pp.  687–720.Zharin, A.L. Contact Potential Difference Techniques As Probing Tools in Tribology and Surface Mapping / A.L. Zharin // Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology. – Heidelberg : SpringerVerlag, 2010. – P. 687–720.Zharin, A.L. Contact Potential Difference Techniques As Probing Tools in Tribology and Surface Mapping / A.L. Zharin // Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology. – Heidelberg : SpringerVerlag, 2010. – P. 687–720.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.