專利名稱：表面功函數(shù)測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面功函數(shù)測量儀，用于測量導(dǎo)體，半導(dǎo)體，金屬或非金屬等表面的功函數(shù)。
背景技術(shù)：
功函數(shù)的定義是把一個電子從材料內(nèi)部移至材料外表面所需要的最少的能量。而此功函數(shù)很容易受到其表面性質(zhì)的影響，如對于氣體和水氣的吸附，有機(jī)或無機(jī)物的污染，表面化學(xué)組分的變化以及特殊涂層的影響等。因此它可以用來判斷表面的清潔度，表面質(zhì)量的好壞以及表面污染的情況。尤其是在表面經(jīng)特殊處理前后的功函數(shù)的變化對判斷處理的效果特別有用。如在有機(jī)電致發(fā)光器件的制備中，導(dǎo)電玻璃的清潔和功函數(shù)的大小對器件的性能影響很大。當(dāng)導(dǎo)電玻璃經(jīng)紫外臭氧或等離子體處理以后由于表面吸附的有機(jī)物被去除掉，其功函數(shù)會有明顯的增加，從而可以判斷表面清潔的程度和合理處理的條件。此外在各種金屬電極的鍍膜條件下對功函數(shù)的影響，對器件的性能也起很大的作用。
表面功函數(shù)測試儀的基本原理是基于金屬連接時會形成接觸電位差，其接觸電位差的值等于他們的功函數(shù)之差除以電子電荷e即為V12＝(φ1-φ2)/e ......(1)(1)式中，V12為導(dǎo)電材料1和導(dǎo)電材料2接觸時的金屬接觸電位差，φ1為導(dǎo)電材料1的功函數(shù)，φ2是導(dǎo)電材料2的功函數(shù)。
當(dāng)這兩種材料形成一個電容器時，即相當(dāng)于在電容器的兩端電極板加上一個V12的電壓。因此當(dāng)改變電容時，就會產(chǎn)生電流。當(dāng)在這兩電極板之間再加上一個數(shù)值相等但方向相反的電位-V12時，才不會產(chǎn)生電流。因此可以測量其交變電流為零時的-V12來測定材料1和2之間的功函數(shù)之差。如果其中材料1的功函數(shù)為已知則可測定材料2的功函數(shù)。
在先技術(shù)中，用“凱爾文探針”來測材料的功函數(shù)，(如McAllister Kp6500digital Kelvin probe)，其結(jié)構(gòu)的原理也是基于掁動電容的方式，但它是用探針測量，測試的面積小，當(dāng)然它可以掃描，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。要求使用的條件較苛刻，價格昂貴。中國專利ZL 01216763.0提供一種“凱爾文振動電容電位探測探頭”，基于同樣的結(jié)構(gòu)原理，用其測量電位圖譜的掃描。它的特點(diǎn)是探頭的振蕩源是壓電陶瓷振動器，也同樣存在測試面積小的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在技術(shù)中的不足，提供一種無需掃描，就可以測量較大面積的被測樣品，結(jié)構(gòu)簡單的表面功函數(shù)測量儀。
為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是它包含能夠與被測樣品板構(gòu)成電容器極板的標(biāo)準(zhǔn)模板，連接在標(biāo)準(zhǔn)模板與被測樣品板之間的可調(diào)直流電源和與可調(diào)直流電源串聯(lián)的交流電流測量儀表。為使標(biāo)準(zhǔn)模板與被測樣品板兩極板之間的電容振動，加在標(biāo)準(zhǔn)模板上的掁蕩源，或者插入標(biāo)準(zhǔn)模板與被測樣品板之間的斬波片。
本發(fā)明如上述的結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)模板與被測樣品板(為平板)構(gòu)成電容器的兩個極板，在標(biāo)準(zhǔn)模板上加振動源，或在兩極板之間插入斬波片，使得兩極板之間的間隙改變，即改變了兩極板之間的電容。調(diào)節(jié)可調(diào)直流電源，使其交流電流測量儀表上的電流值為“0”。此時，即兩極板之間的電壓值V12等于可調(diào)電源上的電壓值，只是極向相反，即為-V12。根據(jù)上述公式(1)，得被測樣品板V2的表面功函數(shù)φ2為φ2＝φ1-V12·e ........(2)(2)式中，φ1為標(biāo)準(zhǔn)模板的表面功函數(shù)為已知的。
V12為可調(diào)直流電源上的電壓值，也是可知的。
e為被測樣品板的電子電荷可查表。
本發(fā)明的表面功函數(shù)測試儀如上述的結(jié)構(gòu)，解決了在先技術(shù)中“凱爾文探針”不掃描測量面積小的問題。本發(fā)明無需掃描，測量面積就比較大。儀器結(jié)構(gòu)比較簡單緊湊，調(diào)換樣品方便，容易調(diào)整。因此，成本也比較低廉。測量的數(shù)據(jù)完全能夠満足對被測樣品相對表面狀況變化的要求。


圖1是本發(fā)明表面功函數(shù)測量儀第1實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明表面功函數(shù)測量儀第2實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明表面功函數(shù)測量儀第3實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明表面功函數(shù)測量儀第4實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明表面功函數(shù)測量儀第5實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6-1、圖6-2是本發(fā)明表面功函數(shù)測量儀第6實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是使用本發(fā)明表面功函數(shù)測量儀測得的被測樣品表面功函數(shù)隨表面處理時間的變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明表面功函數(shù)測量儀的結(jié)構(gòu)。
圖1是本發(fā)明的第1個實(shí)施例示意圖，如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)模板1與被測樣品板2構(gòu)成電容器的兩個極板。在標(biāo)準(zhǔn)模板1與被測樣品板2之間連接有可調(diào)直流電源5和與可調(diào)直流電源5串聯(lián)的作為交流電流測量儀表的交流毫伏表3。在標(biāo)準(zhǔn)模板1上加有作為振蕩源是由交流電源6供電的振蕩線圈7。
所述的標(biāo)準(zhǔn)模板1包含表面平整的平板作為基板，覆蓋在基板表面的金膜或銅泊，或金屬氧化膜等?；蹇梢允请娐钒澹驃A層板，玻璃板等。
圖2是本發(fā)明的第2個實(shí)施例示意圖。圖2與圖1所示的實(shí)施例所不同的是改變標(biāo)準(zhǔn)模板1與被測樣品板2之間的電容是在兩者之間插入作為斬波片的電解質(zhì)轉(zhuǎn)盤9。在本實(shí)施例中，作為斬波片的電解質(zhì)轉(zhuǎn)盤9帶有周期切孔(如圖2中所示)，并裝在由交流電源6供電的馬達(dá)8上。
所述的斬波片是一種具有高介電常數(shù)的電解質(zhì)薄片。如陶瓷片，或金屬片等。
斬波片的厚度通常為0.3mm～0.5mm。
圖3是本發(fā)明的第3個實(shí)施例。圖3所示的實(shí)施例與圖1實(shí)施例所不同的是加在標(biāo)準(zhǔn)模板1上的振動源是由交流電源6供電的揚(yáng)聲器11，交流電流測量儀表是示波器10。圖3中，標(biāo)準(zhǔn)模板1一面作為與被測樣品板2構(gòu)成電容器的標(biāo)準(zhǔn)電極板，另一面接地以屏蔽干擾信號。
圖4是本發(fā)明的第4個實(shí)施例。圖4所示的實(shí)施例與圖1實(shí)施例所不同的是加在標(biāo)準(zhǔn)板1上的振動源是由音頻振蕩器15驅(qū)動的壓電陶瓷揚(yáng)聲器11。交流電流測量儀表是依次串聯(lián)的放大器14，相敏檢波器13和檢流計(jì)12。這種結(jié)構(gòu)的測量儀表所測量的交流電流信號靈敏度比較高。同圖3的實(shí)施例，標(biāo)準(zhǔn)模板1一面作為與被測樣品板2構(gòu)成電容器的標(biāo)準(zhǔn)電極板，另一面接地以屏蔽干擾信號。
圖5是本發(fā)明第5個實(shí)施例。圖5所示的實(shí)施例與圖2所示的實(shí)施例都是在標(biāo)準(zhǔn)模板1與被測樣品板2之間插入作為斬波片的裝在由交流電源6供電的馬達(dá)8上的電解質(zhì)轉(zhuǎn)盤9。所不同的是交流電流測量儀表是示波器10，而且示波器10的同步信號輸入端連接到置于電解質(zhì)轉(zhuǎn)盤9上的光開關(guān)16上。這樣使得示波器10上顯示的信號與電解質(zhì)轉(zhuǎn)盤9的轉(zhuǎn)動，也就是與標(biāo)準(zhǔn)模板1與被測樣品板2之間，電容變化的信號是同步的。這種用同步信號測量其交流電源干擾比較小。與圖4的實(shí)施例相同，標(biāo)準(zhǔn)模板1一面作為與被測樣品板2構(gòu)成電容器的標(biāo)準(zhǔn)電極板，另一面接地以屏蔽干擾信號。
圖6-1、圖6-2是本發(fā)明第6個實(shí)施例，是內(nèi)部具體機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。其中圖6-1是主視圖、圖6-2是左視圖。如圖6-1、圖6-2所示。
本發(fā)明測量儀的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)包括置放標(biāo)準(zhǔn)模板1的標(biāo)準(zhǔn)模板置放箱100和壓于被測樣品板2上的被測樣品蓋壓器200。
所述的標(biāo)準(zhǔn)模板置放箱100包含由下盤105，置于下盤105上的圓筒104和中間帶有臺階通孔的上盤101所構(gòu)成的箱體；置于箱體內(nèi)的內(nèi)盤102，內(nèi)盤102與上盤101連接的調(diào)節(jié)螺釘103。固定于內(nèi)盤102上的掁蕩源11。置于上盤101上帶臺階通孔內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)模板1。連接于標(biāo)準(zhǔn)模板1與振蕩源11之間的連接柱106。置于上盤101上帶臺階通孔四周的樣品彈簧電極107。樣品彈簧電極107與被測樣品板2壓接，作為被測樣品板2的引出電極。在本實(shí)施例中，振蕩源是楊聲器11。標(biāo)準(zhǔn)模板1通過連接柱106與楊聲器11連接。具體地說，標(biāo)準(zhǔn)模板1通過連接柱106連接到楊聲器11內(nèi)的振動音圈上。
所述的被測樣品蓋壓器200包含立塊209，置于立塊209下端的下壓塊207，置于下壓塊207上面的上壓塊208，置于立塊209上部內(nèi)的底部帶有通孔的彈簧罐204。置于立塊209頂部的中間帶有通孔的蓋在彈簧罐204上的橫塊203。置于彈簧罐204內(nèi)的彈簧205和內(nèi)墊片206。以及穿過橫塊203上的通孔、彈簧205、內(nèi)墊片206、彈簧罐204底部的通孔連接在上壓塊208和下壓塊207上的帶有拉鈕201的拉桿202。也就是說，帶有拉扭201的拉桿202通過橫塊203的通孔和彈簧罐204的通孔受彈簧罐204內(nèi)的內(nèi)墊片206和彈簧205的壓力與上壓塊208和下壓塊207相連接并可以有一定的轉(zhuǎn)動使下壓塊207的下平面與被測樣品板2和上盤101的平面吻合。
進(jìn)行測量時，被測樣品板2置放在標(biāo)準(zhǔn)模板置放箱100的上蓋101上，受被測樣品蓋壓器200的下壓塊207的壓力緊壓在上蓋101的上表面上與標(biāo)準(zhǔn)模板1構(gòu)成電容器的兩個極板。上蓋101上的樣品彈簧電極107與被測樣品板2壓接作為被測樣品板的引出電極線到電路板上。通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺釘103可以調(diào)節(jié)被測樣品板2與標(biāo)準(zhǔn)模板1之間的距離和平行度，以保證有足夠的靈敏度。作為電容器的另一電極從標(biāo)準(zhǔn)模板1的上表面引出到測試電路板上。為防止揚(yáng)聲器電源的交流干擾，標(biāo)準(zhǔn)模板1的下表面接地。
圖7是使用本發(fā)明的表面功函數(shù)測量儀所測量的結(jié)果。
圖7中橫坐標(biāo)是用紫外光處理被測樣品表面的處理時間(time)，單位為分鐘(min)，縱坐標(biāo)是表面功函數(shù)(work Function)單位為電子伏特(Δev)。曲線01、02、03分別是三個被測樣品板隨著用紫外光處理的時間其表面功函數(shù)變化的情況。由表面功函數(shù)的變化顯示上被測樣品板表面清潔的狀況。
處理的條件是鍍有ITO膜層的玻璃板經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)的清洗后烘干，然后放進(jìn)UV-03型紫外溴氧表面清潔機(jī)中，處理不同的時間。
條件一，先測量清洗好的帶ITO膜層的玻璃板相對標(biāo)準(zhǔn)模板的表面功函數(shù)，然后再把帶ITO膜層的玻璃板放在UV-03型紫外溴氧表面清洗機(jī)的抽屜的底部，ITO膜層面朝上，處理不同的時間，再測它的相對表面功函數(shù)的提高。測量結(jié)果如圖7中的曲線03，圖標(biāo)為03“底部/玻璃/ITO”的被測樣品板。
條件二。先測量兩片洗好的帶有ITO膜層的玻璃板相對標(biāo)準(zhǔn)模板的表面功函數(shù)，然后再把兩片帶ITO膜層的玻璃板背對背的放進(jìn)裝有樣品托架的抽屜里，兩片玻璃板的ITO膜層面一片向上，一片向下，處理不同的時間，再測它們的相對表面功函數(shù)的提高。測量結(jié)果如圖7中的曲線01、02，其圖標(biāo)上分別標(biāo)為01“托架/玻璃/ITO”(指ITO面向上)，02“托架/ITO/玻璃”(指ITO面向下)的被測樣品板。
權(quán)利要求
1.一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于包含能夠與被測樣品板構(gòu)成電容器極板的標(biāo)準(zhǔn)模板，連接在標(biāo)準(zhǔn)模板與被測樣品板之間的可調(diào)直流電源和與可調(diào)直流電源串聯(lián)的交流電流測量儀表，加在標(biāo)準(zhǔn)模板上的振蕩源，或者插入標(biāo)準(zhǔn)模板與被測樣品板之間的斬波片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于所述的標(biāo)準(zhǔn)模板包含表面平整的平行平板作為基板以及覆蓋在基板上的金膜，或者銅泊，或者金屬氧化膜，或者金屬膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于所述的標(biāo)準(zhǔn)模板一面作為與被測樣品板構(gòu)成電容器的標(biāo)準(zhǔn)電極板，另一面接地以屏蔽干擾信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于所述的插入標(biāo)準(zhǔn)模板與被測樣品板之間的斬波片是一種具有高介電常數(shù)的電解質(zhì)薄片。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于所述的作為斬波片的電解質(zhì)薄片是陶瓷片，或是金屬片。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于所述的斬波片是電介質(zhì)轉(zhuǎn)盤。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于所述的斬波片的厚度是0.3mm～0.5mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于加在標(biāo)準(zhǔn)模板上的振蕩源是由交流電源供電的揚(yáng)聲器，或者是由音頻振蕩器驅(qū)動的壓電陶瓷揚(yáng)聲器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于所述的本發(fā)明測量儀的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)包括置放標(biāo)準(zhǔn)模板的標(biāo)準(zhǔn)模板置放箱和壓于被測樣品板上的被測樣品蓋壓器；所述的標(biāo)準(zhǔn)模板置放箱包含由下盤，置于下盤上的圓筒和中間帶有臺階通孔的上盤所構(gòu)成的箱體；置于箱體里的內(nèi)盤，內(nèi)盤與上盤連接的調(diào)節(jié)螺釘，固定于內(nèi)盤上的振蕩源，置于上盤上帶臺階通孔中的標(biāo)準(zhǔn)模板，連接于標(biāo)準(zhǔn)模板與振蕩源的連接柱，置于上盤上帶臺階通孔周圍的與被測樣品板下表面壓接作為被測樣品板引出電極的樣品彈簧電極；所述的被測樣品蓋壓器包含立塊，置于立塊下端的下壓塊，置于下壓塊上面的上壓塊，置于立塊上部內(nèi)的底部帶有通孔的彈簧罐，置于立塊頂部的中間帶有通孔的蓋在彈簧罐上的橫塊，置于彈簧罐內(nèi)的彈簧和內(nèi)墊片，以及穿過橫塊上的通孔、彈簧、內(nèi)墊片、彈簧罐底部的通孔連接在上壓塊和下壓塊上的帶有拉鈕的拉桿。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面功函數(shù)測量儀，其特征在于所述的與可調(diào)直流電源串聯(lián)的交流電流測量儀表是交流毫伏表，或者是示波器，或者是依次串聯(lián)的放大器、相敏檢波器和檢流計(jì)。
全文摘要
一種表面功函數(shù)測量儀，包含能夠與被測樣品板構(gòu)成電容器極板的標(biāo)準(zhǔn)模板。連接在標(biāo)準(zhǔn)模板與被測樣品板之間的可調(diào)直流電源和與可調(diào)直流電源串聯(lián)的交流電流測量儀表。加在標(biāo)準(zhǔn)模板上的振蕩源，或者插入標(biāo)準(zhǔn)模板與被測樣品板之間的斬波片。具有無需掃描、測量面積較大、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)換樣品方便和容易調(diào)整的特點(diǎn)。
文檔編號G01N27/22GK1712947SQ20051002774
公開日2005年12月28日 申請日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者張志林, 蔣雪茵, 李曉峰 申請人:上海大學(xué)