[發明專利]一種三電極結構的靜電探針系統

有效

• 申請號: 202010715223.1
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN111935893B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 王傳勝;林鑫;李飛;張仕忠;余西龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: H05H1/00
• 分類號: H05H1/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 焦海峰

1.一種三電極結構的靜電探針系統，其特征在于，包含：三電極探針單元(1)、耐高壓射頻降噪單元(2)、功放單元(3)、電流采集單元(4)和信號控制及數據處理單元(5)，三電極探針單元(1)設置為探針極P1、參考極P2和補償極P3組成的三電極探頭；

所述三電極探針單元(1)收集電子電流和離子電流，通過耐高壓射頻降噪單元(2)去除射頻噪聲；

去除射頻噪聲后的電流經取樣電阻后輸入到功放單元(3)，經功放單元(3)的接地端構成探針回路；同時所述功放單元(3)將信號控制及數據處理單元(5)產生的周期性掃描電壓信號放大并加載到三電極探針單元(1)的探針極P1；

所述電流采集單元(4)同時采集探針極P1和參考極P2的電流信號，先通過工頻干擾抑制器主動消除工頻噪聲，該信號再經過隔離器輸入到所述信號控制及數據處理單元(5)處理得到電子密度和電子溫度數據；

所述三電極探針單元(1)包括三電極探頭和隔直電容C，三電極探頭的輸入端設置有探針極P1、參考極P2和補償極P3，補償極P3通過隔直電容C連接到探針極P1，所述耐高壓射頻降噪單元(2)的輸入端與三電極探針單元(1)的探針極P1和參考極P2的輸出端相連；

所述三電極探針單元(1)的探針極P1在掃描電壓的作用下收集電子電流和離子電流，參考極P2為工頻干擾消除的信號源，在等離子體對地電勢的作用下收集等離子體噪聲的電子電流和離子電流，補償極P3為探針極P1補償等離子體空間電勢振動；

所述三電極探針單元(1)的探針極P1和參考極P2結構相同且均采用金屬制成，通過探針極P1收集等離子體中的帶電粒子；參考極P2信號作為工頻干擾消除的信號源，為電流采集單元(4)的工頻干擾抑制器提供消除工頻干擾的輸入信號；補償極P3采用面積大于探針極P1面積5倍以上的金屬制成，補償等離子體空間電勢振動。

2.根據權利要求1所述一種三電極結構的靜電探針系統，其特征在于，所述耐高壓射頻降噪單元(2)設置為兩套完全相同的耐高壓無源濾波器及前處理電路，濾波器阻帶衰減系數大于60dB，最高承受振幅100V電壓作用；通過前處理電路實現阻抗匹配和保護濾波器，通過濾波器去除射頻噪聲。

3.根據權利要求1所述一種三電極結構的靜電探針系統，其特征在于，所述功放單元(3)設置為完全相同的運算放大器U、U’和隔離變壓器T、T’，功放單元(3)的運算放大器U先對掃描電壓信號進行初步放大，經過初步放大的信號再經過隔離變壓器T進行二次放大，兩級放大后掃描電壓振幅最大達100V，以獲得完整的伏安特性曲線；同時通過隔離變壓器實現探針掃描電壓與功放單元(3)輸入電壓的隔離；參考極電路不加載掃描電壓信號，通過運算放大器U’和隔離變壓器T’保持參考極與探針極電路負載相同。

4.根據權利要求1所述一種三電極結構的靜電探針系統，其特征在于，所述電流采集單元(4)包括高性能取樣電阻Rs和Rs’、運算放大器U1和U1’、工頻干擾抑制器和隔離電路，

運算放大器U1采集探針極P1取樣電阻兩端的共模電壓信號S1，S1信號包含有效電流信號和工頻噪聲干擾信號；通過運算放大器U1’獲得參考極取樣電阻兩端電壓信號S2，S2只包含工頻噪聲信號，作為消除S1中工頻噪聲干擾信號的信號源；電壓信號S1和電壓信號S2同時輸入到工頻干擾抑制器。

5.根據權利要求4所述一種三電極結構的靜電探針系統，其特征在于，所述工頻干擾抑制器包括運算放大器U2和反饋電路，

運算放大器U2與外部電阻電子器件組成減法器，通過減法器減去電壓信號S1中的電壓信號S2成分，通過反饋電路主動調整電壓信號S2的信號大小，實現對電壓信號S1中電壓信號S2成分的最佳消除。

6.根據權利要求4所述一種三電極結構的靜電探針系統，其特征在于，所述隔離電路包括電壓電流轉換電路、隔離器H1和電流電壓轉換電路，

工頻干擾抑制器輸出的信號首先經過電壓電流轉換電路變換為電流信號并經過一定偏置后輸入到隔離器H1，通過隔離器H1對電流采集單元(4)和信號控制及數據處理單元(5)的隔離，通過隔離器H1的電流經過電流電壓轉換電路變換為電壓信號并被信號控制及數據處理單元(5)記錄和處理。

7.根據權利要求1所述一種三電極結構的靜電探針系統，其特征在于，所述信號控制及數據處理單元(5)負責控制掃描信號和處理伏安特性曲線獲得電子密度和電子溫度數據，包括以工控機、板卡、D/A轉換器、A/D轉換器和電腦，

軟件控制工控機產生掃描電壓信號，經板卡和D/A轉換器轉換后輸入給功放單元(3)中與探針極相連的功放電路中放大，A/D轉換器將電流采集單元的模擬電流信號轉變為數字電流信號后被工控機記錄，之后經過電腦處理獲得電子密度和電子溫度數據。