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原文传递一种电介质薄膜电学性质测量系统

专利名称：	一种电介质薄膜电学性质测量系统
摘要：	本发明揭示了一种电介质薄膜电学性质测量系统，包括探针台、电学测试装置和计算机，电学测试装置中的前置跨阻放大器包括有两个CMOS运算放大器、四个MOS场效应管、四个CMOS反相器、六个电阻、两个电容。电介质薄膜的漏电流大小通常介于数十fA至数十pA，通过合理选择外围电阻，前置跨阻放大器的输出电压可达到数μV至几十μV量级，该输出电压信号再经过中间电压放大器、后端电压放大器依次放大，可被电流测量装置准确测量出来，最终送至计算机进行处理、显示。利用本发明独有的处理方式，有效地从信号源中过滤掉了运算放大器自身带来的干扰信号。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南通大学
发明人：	宋长青;王志亮;尹海宏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-03T00:00:00+0800
申请号：	CN201910094588.4
公开号：	CN109709151A
代理机构：	南京苏科专利代理有限责任公司
代理人：	陈忠辉
分类号：	G01N27/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	226019 江苏省南通市崇川区啬园路9号
主权项：	1.一种电介质薄膜电学性质测量系统，其特征在于：测量系统包括探针台、电学测试装置和计算机。 2.一种电介质薄膜电学性质测量系统，其特征在于：测量系统包括探针台、电学测试装置和计算机，探针台用于放置和固定电介质薄膜样品，电学测试装置用于测量电介质薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线，计算机用于控制电学测试装置，并接收和记录电学测试装置回传的测量数据。 3.一种如权利要求1所述的电介质薄膜电学性质测量系统，测量系统包括探针台、电学测试装置和计算机，所述计算机用于控制电学测试装置，并接收和记录电学测试装置回传的测量数据；其特征在于：所述探针台包括样品台、光学显微镜、两个XYZ三向探针移动台、两根导电测试探针，所述XYZ三向探针移动台包括有探针夹持器和XYZ三向精密移动机构，所述探针夹持器用于夹持和固定探针，所述XYZ三向探针移动台用于实现在X、Y、Z三个方向调节探针的位置；所述样品台用于放置电介质薄膜样品；两根导电测试探针用于电性连接至电介质薄膜样品上的两个电极；所述光学显微镜用于观察导电测试探针针尖的位置并准确移动和可靠接触至电介质薄膜样品上的两个电极；所述电学测试装置包括：计算机程序控制电压信号源、跨阻放大器、电流测量装置、计算机接口电路、A/D转换器、同轴电缆；所述跨阻放大器，包括有：前置跨阻放大器、中间电压放大器、后端电压放大器；所述前置跨阻放大器，其特征在于：包括有两个CMOS运算放大器、四个MOS场效应管、四个CMOS反相器、六个电阻、两个电容；其中，第一MOS场效应管、第一反馈电阻、第二MOS场效应管、第一电阻、第二反馈电阻依次串联，第一MOS场效应管的漏极电性连接至输入信号源，第一MOS场效应管与第一反馈电阻的共同连接端电连接至第一运算放大器的反相输入端，第一反馈电阻与第二MOS场效应管的共同连接端电连接至第一运算放大器的输出端，第二MOS场效应管与第一电阻的共同连接端与地端之间电连接有第一电容，第一电阻与第二反馈电阻的共同连接端电连接至第二运算放大器的反相输入端，第二反馈电阻的另一端电连接至第二运算放大器的输出端；第三MOS场效应管的源极电性连接至输入信号源、漏极电性连接至地端；第三电阻电性连接在第一运算放大器的同相输入端与地端之间；第四MOS场效应管、第二电阻、第三反馈电阻依次串联，第四MOS场效应管的源极电性连接至第一运算放大器的输出端，第三反馈电阻的另一端电性连接至地端；第四MOS场效应管与第二电阻的共同连接端与地端之间电连接有第二电容；第二电阻与第三反馈电阻的共同连接端电连接至第二运算放大器的同相输入端；第三MOS场效应管的栅极电性连接至外部时钟信号输入端，外部时钟信号输入端还电性连接有第一CMOS反相器，第一CMOS反相器的输出端电性连接至第一MOS场效应管的栅极和第二CMOS反相器的输入端，第二CMOS反相器的输出端电性连接至第三CMOS反相器的输入端，第三CMOS反相器的输出端电性连接至第四CMOS反相器的输入端和第二MOS场效应管的栅极，第四CMOS反相器的输出端电性连接至第四MOS场效应管的栅极；第二运算放大器的输出端电性连接至中间电压放大器的输入端。 4.如权利要求3所述电介质薄膜电学性质测量系统，其特征在于：所述外部时钟信号的频率为MHz量级，优选地，外部时钟信号的频率为1-100MHz，更优选地，外部时钟信号的频率为10-100MHz；外部时钟信号的频率过低时，难以有效消除各种失调信号、噪声信号和干扰信号；外部时钟信号的频率过高时，会给后面的电路带来额外的数字化噪声，并且各个MOS管在超高频下开关特性变差，过渡效应明显，信号输出开始明显偏离理想状态；采用超高频的MOS管可以在一定程度上克服上述问题，但会明显增加成本。 5.如权利要求3或4所述的电介质薄膜电学性质测量系统，其特征在于：第二CMOS反相器、第三CMOS反相器之间还增加有2N个串联的CMOS反相器，N为正整数，N的取值使得所有CMOS反相器的整体响应速度与第一运算放大器的响应速度匹配。 6.如权利要求3-5任一项所述的电介质薄膜电学性质测量系统，其特征在于：所述电学测试装置的计算机接口电路为GPIB接口电路，或BNC接口电路，或USB接口电路。 7.如权利要求3-6任一项所述的电介质薄膜电学性质测量系统，其特征在于：所述程序控制电压信号源由计算机通过计算机接口电路控制生成和输出测试电压信号，跨阻放大器用于放大经过电介质薄膜样品的微弱电流，跨阻放大器前端依次通过同轴电缆、探针电性通过连接至电介质薄膜样品上的电极，跨阻放大器后端电性连接至电流测量装置；电流测量装置用于测量经过电介质薄膜样品的微弱电流，通过A/D转换器将模拟测量结果转换为数字测量结果，并将数字测量结果通过电学测试装置的计算机接口电路反馈至计算机。 8.如权利要求3-5任一项所述的电介质薄膜电学性质测量系统，其特征在于：所述前置跨阻放大器中的四个MOS场效应管均工作于开关状态，其开关状态受控于外部时钟信号；其中，在不考虑各反相器传输时延的情况下，第一MOS场效应管和第二MOS场效应管同时开或关，第三MOS场效应管和第四MOS场效应管同时关或开，并且，第一MOS场效应管和第二MOS场效应管的开关状态，与第三MOS场效应管和第四MOS场效应管的开关状态总是相反，即第一MOS场效应管和第二MOS场效应管处于导通低阻状态时，第三MOS场效应管和第四MOS场效应管则均处于截止状态，反之亦然。 9.如权利要求3-5任一项所述的电介质薄膜电学性质测量系统，其特征在于：选择第一电容C1和第二电容C2的值、第一电阻R1、第二反馈电阻Rf2、第二电阻R2和第三反馈电阻R3的值，使得(R1+Rf2)C1、(R2+Rf3)C2这两个乘积远大于外部时钟信号的周期，优选地，(R1+Rf2)C1、(R2+Rf3)C2这两个乘积均为外部时钟信号的周期的100倍以上，并取则所述前置跨阻放大器的输出电压Uo为：其中，Rf1为第一反馈电阻， Rf2为第二反馈电阻， Rf3为第三反馈电阻， R1为第一电阻， R2为第二电阻， R3为第三电阻， Ifilm为电介质薄膜中待测漏电流。 10.如权利要求3-9任一项所述的电介质薄膜电学性质测量系统，其特征在于：计算机通过软件控制所述程序控制电压信号源，产生一系列的电压信号，施加在薄膜样品上，电学测试装置测量薄膜样品在这一系列的电压信号下的漏电流值，并回传至计算机，由计算机存储这些测量值，并在屏幕上显示电介质薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线。
所属类别：	发明专利