专利名称：表面功函数测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面功函数测量仪，用于测量导体，半导体，金属或非金属等表面的功函数。
背景技术：
功函数的定义是把一个电子从材料内部移至材料外表面所需要的最少的能量。而此功函数很容易受到其表面性质的影响，如对于气体和水气的吸附，有机或无机物的污染，表面化学组分的变化以及特殊涂层的影响等。因此它可以用来判断表面的清洁度，表面质量的好坏以及表面污染的情况。尤其是在表面经特殊处理前后的功函数的变化对判断处理的效果特别有用。如在有机电致发光器件的制备中，导电玻璃的清洁和功函数的大小对器件的性能影响很大。当导电玻璃经紫外臭氧或等离子体处理以后由于表面吸附的有机物被去除掉，其功函数会有明显的增加，从而可以判断表面清洁的程度和合理处理的条件。此外在各种金属电极的镀膜条件下对功函数的影响，对器件的性能也起很大的作用。
表面功函数测试仪的基本原理是基于金属连接时会形成接触电位差，其接触电位差的值等于他们的功函数之差除以电子电荷e即为V12＝(φ1-φ2)/e ......(1)(1)式中，V12为导电材料1和导电材料2接触时的金属接触电位差，φ1为导电材料1的功函数，φ2是导电材料2的功函数。
当这两种材料形成一个电容器时，即相当于在电容器的两端电极板加上一个V12的电压。因此当改变电容时，就会产生电流。当在这两电极板之间再加上一个数值相等但方向相反的电位-V12时，才不会产生电流。因此可以测量其交变电流为零时的-V12来测定材料1和2之间的功函数之差。如果其中材料1的功函数为已知则可测定材料2的功函数。
在先技术中，用“凯尔文探针”来测材料的功函数，(如McAllister Kp6500digital Kelvin probe)，其结构的原理也是基于掁动电容的方式，但它是用探针测量，测试的面积小，当然它可以扫描，但结构较复杂。要求使用的条件较苛刻，价格昂贵。中国专利ZL 01216763.0提供一种“凯尔文振动电容电位探测探头”，基于同样的结构原理，用其测量电位图谱的扫描。它的特点是探头的振荡源是压电陶瓷振动器，也同样存在测试面积小的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述在技术中的不足，提供一种无需扫描，就可以测量较大面积的被测样品，结构简单的表面功函数测量仪。
为了达到上述的目的，本发明所采取的技术方案是它包含能够与被测样品板构成电容器极板的标准模板，连接在标准模板与被测样品板之间的可调直流电源和与可调直流电源串联的交流电流测量仪表。为使标准模板与被测样品板两极板之间的电容振动，加在标准模板上的掁荡源，或者插入标准模板与被测样品板之间的斩波片。
本发明如上述的结构，标准模板与被测样品板(为平板)构成电容器的两个极板，在标准模板上加振动源，或在两极板之间插入斩波片，使得两极板之间的间隙改变，即改变了两极板之间的电容。调节可调直流电源，使其交流电流测量仪表上的电流值为“0”。此时，即两极板之间的电压值V12等于可调电源上的电压值，只是极向相反，即为-V12。根据上述公式(1)，得被测样品板V2的表面功函数φ2为φ2＝φ1-V12·e ........(2)(2)式中，φ1为标准模板的表面功函数为已知的。
V12为可调直流电源上的电压值，也是可知的。
e为被测样品板的电子电荷可查表。
本发明的表面功函数测试仪如上述的结构，解决了在先技术中“凯尔文探针”不扫描测量面积小的问题。本发明无需扫描，测量面积就比较大。仪器结构比较简单紧凑，调换样品方便，容易调整。因此，成本也比较低廉。测量的数据完全能够満足对被测样品相对表面状况变化的要求。
图1是本发明表面功函数测量仪第1实施例的结构示意图。
图2是本发明表面功函数测量仪第2实施例的结构示意图。
图3是本发明表面功函数测量仪第3实施例的结构示意图。
图4是本发明表面功函数测量仪第4实施例的结构示意图。
图5是本发明表面功函数测量仪第5实施例的结构示意图。
图6-1、图6-2是本发明表面功函数测量仪第6实施例的结构示意图。
图7是使用本发明表面功函数测量仪测得的被测样品表面功函数随表面处理时间的变化曲线图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明表面功函数测量仪的结构。
图1是本发明的第1个实施例示意图，如图1所示，标准模板1与被测样品板2构成电容器的两个极板。在标准模板1与被测样品板2之间连接有可调直流电源5和与可调直流电源5串联的作为交流电流测量仪表的交流毫伏表3。在标准模板1上加有作为振荡源是由交流电源6供电的振荡线圈7。
所述的标准模板1包含表面平整的平板作为基板，覆盖在基板表面的金膜或铜泊，或金属氧化膜等。基板可以是电路板，或夹层板，玻璃板等。
图2是本发明的第2个实施例示意图。图2与图1所示的实施例所不同的是改变标准模板1与被测样品板2之间的电容是在两者之间插入作为斩波片的电解质转盘9。在本实施例中，作为斩波片的电解质转盘9带有周期切孔(如图2中所示)，并装在由交流电源6供电的马达8上。
所述的斩波片是一种具有高介电常数的电解质薄片。如陶瓷片，或金属片等。
斩波片的厚度通常为0.3mm～0.5mm。
图3是本发明的第3个实施例。图3所示的实施例与图1实施例所不同的是加在标准模板1上的振动源是由交流电源6供电的扬声器11，交流电流测量仪表是示波器10。图3中，标准模板1一面作为与被测样品板2构成电容器的标准电极板，另一面接地以屏蔽干扰信号。
图4是本发明的第4个实施例。图4所示的实施例与图1实施例所不同的是加在标准板1上的振动源是由音频振荡器15驱动的压电陶瓷扬声器11。交流电流测量仪表是依次串联的放大器14，相敏检波器13和检流计12。这种结构的测量仪表所测量的交流电流信号灵敏度比较高。同图3的实施例，标准模板1一面作为与被测样品板2构成电容器的标准电极板，另一面接地以屏蔽干扰信号。
图5是本发明第5个实施例。图5所示的实施例与图2所示的实施例都是在标准模板1与被测样品板2之间插入作为斩波片的装在由交流电源6供电的马达8上的电解质转盘9。所不同的是交流电流测量仪表是示波器10，而且示波器10的同步信号输入端连接到置于电解质转盘9上的光开关16上。这样使得示波器10上显示的信号与电解质转盘9的转动，也就是与标准模板1与被测样品板2之间，电容变化的信号是同步的。这种用同步信号测量其交流电源干扰比较小。与图4的实施例相同，标准模板1一面作为与被测样品板2构成电容器的标准电极板，另一面接地以屏蔽干扰信号。
图6-1、图6-2是本发明第6个实施例，是内部具体机械结构的实施例。其中图6-1是主视图、图6-2是左视图。如图6-1、图6-2所示。
本发明测量仪的内部机械结构包括置放标准模板1的标准模板置放箱100和压于被测样品板2上的被测样品盖压器200。
所述的标准模板置放箱100包含由下盘105，置于下盘105上的圆筒104和中间带有台阶通孔的上盘101所构成的箱体；置于箱体内的内盘102，内盘102与上盘101连接的调节螺钉103。固定于内盘102上的掁荡源11。置于上盘101上带台阶通孔内的标准模板1。连接于标准模板1与振荡源11之间的连接柱106。置于上盘101上带台阶通孔四周的样品弹簧电极107。样品弹簧电极107与被测样品板2压接，作为被测样品板2的引出电极。在本实施例中，振荡源是杨声器11。标准模板1通过连接柱106与杨声器11连接。具体地说，标准模板1通过连接柱106连接到杨声器11内的振动音圈上。
所述的被测样品盖压器200包含立块209，置于立块209下端的下压块207，置于下压块207上面的上压块208，置于立块209上部内的底部带有通孔的弹簧罐204。置于立块209顶部的中间带有通孔的盖在弹簧罐204上的横块203。置于弹簧罐204内的弹簧205和内垫片206。以及穿过横块203上的通孔、弹簧205、内垫片206、弹簧罐204底部的通孔连接在上压块208和下压块207上的带有拉钮201的拉杆202。也就是说，带有拉扭201的拉杆202通过横块203的通孔和弹簧罐204的通孔受弹簧罐204内的内垫片206和弹簧205的压力与上压块208和下压块207相连接并可以有一定的转动使下压块207的下平面与被测样品板2和上盘101的平面吻合。
进行测量时，被测样品板2置放在标准模板置放箱100的上盖101上，受被测样品盖压器200的下压块207的压力紧压在上盖101的上表面上与标准模板1构成电容器的两个极板。上盖101上的样品弹簧电极107与被测样品板2压接作为被测样品板的引出电极线到电路板上。通过调节调节螺钉103可以调节被测样品板2与标准模板1之间的距离和平行度，以保证有足够的灵敏度。作为电容器的另一电极从标准模板1的上表面引出到测试电路板上。为防止扬声器电源的交流干扰，标准模板1的下表面接地。
图7是使用本发明的表面功函数测量仪所测量的结果。
图7中横坐标是用紫外光处理被测样品表面的处理时间(time)，单位为分钟(min)，纵坐标是表面功函数(work Function)单位为电子伏特(Δev)。曲线01、02、03分别是三个被测样品板随着用紫外光处理的时间其表面功函数变化的情况。由表面功函数的变化显示上被测样品板表面清洁的状况。
处理的条件是镀有ITO膜层的玻璃板经标准的清洗后烘干，然后放进UV-03型紫外溴氧表面清洁机中，处理不同的时间。
条件一，先测量清洗好的带ITO膜层的玻璃板相对标准模板的表面功函数，然后再把带ITO膜层的玻璃板放在UV-03型紫外溴氧表面清洗机的抽屉的底部，ITO膜层面朝上，处理不同的时间，再测它的相对表面功函数的提高。测量结果如图7中的曲线03，图标为03“底部/玻璃/ITO”的被测样品板。
条件二。先测量两片洗好的带有ITO膜层的玻璃板相对标准模板的表面功函数，然后再把两片带ITO膜层的玻璃板背对背的放进装有样品托架的抽屉里，两片玻璃板的ITO膜层面一片向上，一片向下，处理不同的时间，再测它们的相对表面功函数的提高。测量结果如图7中的曲线01、02，其图标上分别标为01“托架/玻璃/ITO”(指ITO面向上)，02“托架/ITO/玻璃”(指ITO面向下)的被测样品板。
权利要求
1.一种表面功函数测量仪，其特征在于包含能够与被测样品板构成电容器极板的标准模板，连接在标准模板与被测样品板之间的可调直流电源和与可调直流电源串联的交流电流测量仪表，加在标准模板上的振荡源，或者插入标准模板与被测样品板之间的斩波片。
2.根据权利要求1所述的一种表面功函数测量仪，其特征在于所述的标准模板包含表面平整的平行平板作为基板以及覆盖在基板上的金膜，或者铜泊，或者金属氧化膜，或者金属膜。
3.根据权利要求1所述的一种表面功函数测量仪，其特征在于所述的标准模板一面作为与被测样品板构成电容器的标准电极板，另一面接地以屏蔽干扰信号。
4.根据权利要求1所述的一种表面功函数测量仪，其特征在于所述的插入标准模板与被测样品板之间的斩波片是一种具有高介电常数的电解质薄片。
5.根据权利要求4所述的一种表面功函数测量仪，其特征在于所述的作为斩波片的电解质薄片是陶瓷片，或是金属片。
6.根据权利要求4所述的一种表面功函数测量仪，其特征在于所述的斩波片是电介质转盘。
7.根据权利要求1所述的一种表面功函数测量仪，其特征在于所述的斩波片的厚度是0.3mm～0.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种表面功函数测量仪，其特征在于加在标准模板上的振荡源是由交流电源供电的扬声器，或者是由音频振荡器驱动的压电陶瓷扬声器。
9.根据权利要求1所述的一种表面功函数测量仪，其特征在于所述的本发明测量仪的内部机械结构包括置放标准模板的标准模板置放箱和压于被测样品板上的被测样品盖压器；所述的标准模板置放箱包含由下盘，置于下盘上的圆筒和中间带有台阶通孔的上盘所构成的箱体；置于箱体里的内盘，内盘与上盘连接的调节螺钉，固定于内盘上的振荡源，置于上盘上带台阶通孔中的标准模板，连接于标准模板与振荡源的连接柱，置于上盘上带台阶通孔周围的与被测样品板下表面压接作为被测样品板引出电极的样品弹簧电极；所述的被测样品盖压器包含立块，置于立块下端的下压块，置于下压块上面的上压块，置于立块上部内的底部带有通孔的弹簧罐，置于立块顶部的中间带有通孔的盖在弹簧罐上的横块，置于弹簧罐内的弹簧和内垫片，以及穿过横块上的通孔、弹簧、内垫片、弹簧罐底部的通孔连接在上压块和下压块上的带有拉钮的拉杆。
10.根据权利要求1所述的一种表面功函数测量仪，其特征在于所述的与可调直流电源串联的交流电流测量仪表是交流毫伏表，或者是示波器，或者是依次串联的放大器、相敏检波器和检流计。
全文摘要
一种表面功函数测量仪，包含能够与被测样品板构成电容器极板的标准模板。连接在标准模板与被测样品板之间的可调直流电源和与可调直流电源串联的交流电流测量仪表。加在标准模板上的振荡源，或者插入标准模板与被测样品板之间的斩波片。具有无需扫描、测量面积较大、结构简单、调换样品方便和容易调整的特点。
文档编号G01N27/22GK1712947SQ20051002774
公开日2005年12月28日 申请日期2005年7月14日 优先权日2005年7月14日
发明者张志林, 蒋雪茵, 李晓峰 申请人:上海大学