pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2016-7-2-136-144pimi-250Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВDIGITAL CONTACT POTENTIAL DIFFERENCE PROBEПантелеевК. В.PantsialeyeuK. U.

Адрес для переписки: Пантелеев К.В. – Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Беларусь e-mail: k.pantsialeyeu@bntu.by

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

k.pantsialeyeu@bntu.byСвистунА. И.SvistunA. I.ТявловскийА. К.TyavlovskyA. K.ЖаринА. Л.ZharinA. L.Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus20161209201672136144Copyright © Пантелеев К.В., Свистун А.И., Тявловский А.К., Жарин А.Л., 20162016Пантелеев К.В., Свистун А.И., Тявловский А.К., Жарин А.Л.Pantsialeyeu K.U., Svistun A.I., Tyavlovsky A.K., 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/250

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. 

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.

зонд Кельвинаконтактная разность потенциаловцифровой измеритель КРПработа выхода электронаэлектростатический потенциалKelvin probecontact potential differencedigital CPD probeelectron work functionelectrostatic potentialReferencesПантелеев, К.В. Построение измерителей контактной разности потенциалов / К.В. Пантелеев, В.А. Микитевич, А.Л. Жарин // Приборы и методы измерений. – 2016. – Т. 7, № 1. – С. 7–15; doi:10.21122/2220-9506-2016-7-1-7-15.Pantsialeyeu K.U., Mikitsevich U.A., Zharin A.L. [Design of the contact potentials difference probes]. Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements], 2016, vol. 7, no. 1, pp. 7–15; doi:10.21122/22209506-2016-7-1-7-15 (in Russian).Hadjadjy, A., Contact potential measurements with a local Kelvin probe. / A. Hadjadjy [et al.] // Philosophical magazine B. – 2001. – Vol. 11, no. 11. – Р. 1257– 1266; doi:10.1080/13642810208223162.Hadjadjy A., Equerz B., Beorchiay A., Roca P. Contact potential measurements with a local Kelvin probe. Philosophical magazine B, 2001, vol. 82, no. 11, pp. 1257–1266; doi:10.1080/13642810208223162.Luo, G.-N. Influence of space charge on the performance of the Kelvin probe / G.-N. Luo [et al.] // Review of scientific instruments. – 2001. – Vol. 72, no. 5. – Р. 2350– 2357; doi:10.1063/1.1367363.Luo G.-N., Yamaguchi K., Terai T., Yamawaki M. Influence of space charge on the performance of the Kelvin probe. Review of scientific instruments, 2001, vol. 72, no. 5, pp. 2350–2357; doi: 10.1063/1.1367363.Subrahmanyam, A. The Kelvin Probe for Surface Engineering: Fundamentals and Design / A. Subrahmanyam, S. Kumar. – USA : CRC Press, 2010. – 200 p.Subrahmanyam A., Kumar S. The Kelvin Probe for Surface Engineering: Fundamentals and Design. USA, CRC Press, 2010, p. 200.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. Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology. Heidelberg, Springer-Verlag, 2010, pp. 687–720.Makino, T. Contact Potential Difference Measurement of Adhesion Process during Micro / Meso-scale Injection Upsetting / T. Makino [et al.] // Procedia Engineering. – 2014. – Vol. 81. – P. 444–449; doi:10.1016/j.proeng.2014.10.020.Makino T., Michimoto T., Moriyama S., Kikuchi T. Contact Potential Difference Measurement of Adhesion Process during Micro / Meso-scale Injection Upsetting. Procedia Engineering, 2014, vol. 81, pp. 444–449; doi:10.1016/j.proeng.2014.10.020.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. – Р. 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.Peterson, I. R. Kelvin probe liquid-surface potential sensor. / I. R. Peterson // Review of Scintific Instruments. – 1999. – Vol. 70, no. 7. – P. 3418–3424; doi:10.1063/1.1149929.Peterson I.R. Kelvin probe liquid-surface potential sensor. Review of Scientific Instruments, 1999, vol. 70, no. 7, pp. 3418–3424; doi:10.1063/1.1149929.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. – 2016. – Vol. 222. – P. 1257–1263; doi: 10.1016/j.snb.2015.05.050. 10. Жарин, А.Л. Метод контактной разности потенциалов и его применение в трибологии / А.Л. Жарин. – Минск : Бестпринт, 1996. – 235 с.Mazhar M., 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, 2016, vol. 222, pp. 1257– 1263; doi:10.1016/j.snb.2015.05.050.Wicinski, M. Lateral resolution in scanning Kelvin probe microscopy / M. Wicinski, W. Burgstaller, A.W. Hassel // Corrosion Science. – 2016. – Vol. 104. – P. 1–8; doi:10.1016/j.corsci.2015.09.008.Zharin A.L. Metod kontaktnoj raznosti potentsialov i yego primeneniye v tribologii [Method of contact potential difference and its application in tribology. Minsk, Bestprint Publ., 1996, 235 p. (in Russian). 11. Wicinski M., Burgstaller W., Hassel A.W. Lateral resolution in scanning Kelvin probe microscopy. Corrosion Science, 2016, vol. 104, pp. 1–8; doi: 10.1016/j.corsci.2015.09.008.Rossi, F. Contact potential measurement: Spacing-dependence errors / F. Rossi // Review of Scintific Instruments. – 1992. – Vol. 63; doi :10.1063/1.1143230.Rossi F. Contact potential measurement: Spacingdependence errors. Review of Scintific Instruments, 1992, vol. 63; doi:10.1063/1.1143230.McMurray, H.N. Probe diameter and probespecimen distance dependence in the lateral resolution of a scanning Kelvin probe / H.N. McMurray, G. Williams // Journal of Applied Physics. – 2002. – Vol. 91, no. 3. – P. 1673–1679; doi:10.1063/1.1430546.McMurray H.N., Williams G. Probe diameter and probe-specimen distance dependence in the lateral resolution of a scanning Kelvin probe. Journal of Applied Physics, 2002, no. 3, vol. 91, pp. 1673–1679; doi:10.1063/1.1430546.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. – Vol. 3, no. 46. – P. 338–344.Klein U., Vollmann W., Paulo A. Contact potential differences measurement: Short history and experimental setup for classroom demonstration. IEEE Transactions on Education, 2003, vol. 3, no. 46, pp. 338–344.Frankel, G. Potential control under thin aqueous layers using a Kelvin probe / G.S. Frankel [et al.] // Corrosion Science. – 2007. – Vol. 49. – P. 2021–2036; doi:10.1016/j.corsci.2006.10.017.Frankel G., Stratmann M., Rohwerder M., Michalik A., Maier B., Dora J., Wicinski M. Potential control under thin aqueous layers using a Kelvin probe. Corrosion Science, 2007, vol. 49, pp. 2021–2036; doi: 10.1016/j.corsci.2006.10.017.

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