DE1281573B

DE1281573B - Messsonde zur Bestimmung der oertlichen Ladungsverteilung auf Oberflaechen von Festkoerpern

Info

Publication number: DE1281573B
Application number: DEK54739A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Heinz Kraemer; Dipl-Phys Dr Dieter Messner
Original assignee: Kalle GmbH and Co KG
Current assignee: Kalle GmbH and Co KG
Priority date: 1964-12-08
Filing date: 1964-12-08
Publication date: 1968-10-31
Also published as: US3443224A; FR1457896A; CH429935A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIr

Deutsche Kl.: 2Ie-29/14

Nummer: 1281573

Aktenzeichen: P 12 81 573.5-35 (K 54739)

Anmeldetag: 8. Dezember 1964

Auslegetag: 31. Oktober 1968

Gegenstand der Erfindung ist eine fein auflösende elektrostatische Meßsonde, die sich für die Bestimmung der örtlichen Ladungsverteilung auf der Oberfläche fester Körper eignet.

Es sind bereits Geräte zur Messung der elektrostatischen Aufladung der Oberfläche fester Körper bekannt, die es jedoch infolge der großen räumlichen Ausdehnung der Sonde nicht gestatten, die exakte Ladungsverteilung zu messen.

Bei einem weiteren bekannten Gerät, das mit einer die Meßelektrode periodisch abdeckenden rotierenden Abschirmelektrode arbeitet, kann die Sonde zwar kleiner ausgeführt werden, bei dieser Anordnung ist jedoch die Feld verteilung nicht ausreichend homogen.

In einer anderen bekannten Anordnung besteht die Meßsonde aus einer Ionisationskammer, deren Ionenstrom von einer radioaktiven Quelle geliefert wird. Das Eintrittsfenster für die Feldlinien hat in diesen Fällen ebenfalls einen Durchmesser von einigen Zentimetern.

Mit Hilfe dieser Apparaturen können somit entweder nur verhältnismäßig große Flächenelemente gemessen werden, wobei die dort vorhandene Ladungsverteilung über diesen Bereich gemittelt wird, oder es wird ein exaktes Ladungsprofil der zu messenden Oberfläche nicht erhalten.

Gegenstand der Erfindung ist eine Meßsonde zur Bestimmung der örtlichen Ladungsverteilung auf Oberflächen von Festkörpern, bestehend aus einer Meßelektrode E₁ und einer feststehenden Abschirmelektrode E₀, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Abschirmelektrode E₂ die feststehende Meßelektrode E₁ in der Weise umgibt, daß die Breite des Spaltes Sp zwischen Abschirmelektrode E₂ und Meßelektrode E₁ klein gegen die Abmessungen der Meßelektrode E₁ ist und daß die der zu vermessenden Oberfläche zugekehrte Fläche der Meßelektrode E₁ vorzugsweise rund oder quadratisch ausgeführt und nicht größer als 1 mm², vorzugsweise 0,6 mm² ist.

Die der zu vermessenden Oberfläche zugekehrte Fläche der Meßelektrode E₁ soll nicht über 1 mm² groß und vorzugsweise rund oder quadratisch sein. Darüber hinaus kann die Fläche jedoch auch rechteckig oder elliptisch ausgebildet sein, wobei allerdings die Kantenlängen des Rechtecks bzw. die Längen der Halbachsen der Ellipse nicht wesentlich voneinander abweichen sollen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Meßelektrode E₁ mit einer Meßfläche von 0,6 mm² erwiesen. Bei noch kleineren Meßelektroden ist die Störanfälligkeit wesentlich höher. Das wird dadurch bedingt, daß die Spaltbreite zwischen Meßelektrode E₁ und Abschirmelek-

Meßsonde zur Bestimmung der örtlichen
Ladungsverteilung auf Oberflächen von
Festkörpern

Anmelder:

Kalle Aktiengesellschaft,

6202 Wiesbaden-Biebrich, Rheingaustr. 190-196

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Heinz Krämer,
6200 Wiesbaden-Bierstadt;
Dipl.-Phys. Dr. Dieter Messner,
6202 Wiesbaden-Biebrich

trodeE₂ erfindungsgemäß klein sein muß gegen die Abmessungen der Meßelektrode. Mit abnehmender Spaltbreite können Meßelektrode E₁ und Abschirmelektrode E₂ leicht durch Staubteilchen kurzgeschlossen werden. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann dies im Bedarfsfall dadurch vermieden werden, daß im Inneren des Meßgerätes ständig ein geringer Überdruck aufrechterhalten wird, so daß durch den Spalt Sp zwischen der Meßelektrode E₁ und der Abschirmelektrode E₂ ständig ein Luftstrom von innen nach außen bläst, wobei dafür Sorge zu tragen ist, daß die Luft im Inneren des Meßgerätes staubfrei ist. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Einrichtungen ist es möglich, die Meßelektrode E₁ noch kleiner als 0,6 mm² auszuführen.

Die Breite des Spaltes Sp zwischen Meßelektrode E₁ und Abschirmelektrode E₂ soll erfindungsgemäß höchstens 20 %, vorzugsweise 10 % des geringsten Durchmessers der Meßelektrode E₁ betragen.

Das Meßprinzip und der Aufbau der erfindungsgemäßen Meßsonde sind in den beigefügten Abbildungen noch näher erläutert.

Abb. 1 zeigt den inneren Aufbau der erfiindungsgemäßen Meßsonde;

A b b. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Meßanordnung;

A b b. 3 stellt ein Blockschaltbild der apparativen Ausrüstung dar;

A b b. 4 zeigt in schematischer Darstellung ein Meßgerät, in das die erfindungsgemäße Meßsonde eingebaut werden kann, und

A b b. 5 zeigt einige Beispiele von Ladungsprofilen, die mit der erfindungsgemäßen Meßsonde gemessen wurden.

Die Abschirmelektrode E₂ kann beispielsweise in einer kegelförmigen Umhüllung der Meßelektrode

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bestehen (Abb. Ib), die nach dem Ende der Meßelektrode E₁ spitz zuläuft. Besonders vorteilhaft ist jedoch, die dem Meßobjekt zugekehrte Oberfläche der Abschirmelektrode E₂ als ebene, die Meßelektrode E₁ umgebende Platte nach Art eines Kondensatorschutzrings auszubilden (Abb. la). Ein derartiger Schutzring bewirkt, daß die Feldlinien von der zu vermessenden Oberfläche senkrecht und parallel zueinander austreten, so daß die Meßelektrode also nur von Feldlinien getroffen wird, die von dem unter ihr liegenden Flächenelement ausgehen. In diesem Fall ist es möglich, aus den gemessenen Potentialwerten die zugehörigen Feldstärken zu berechnen. Das Auflösungsvermögen des Meßgerätes hängt außer von der Größe der Meßelektrode E₁ noch vom Abstand der Meßelektrode von der zu vermessenden Oberfläche ab. Das Auflösungsvermögen nimmt mit zunehmendem Abstand der Meßelektrode vom zu vermessenden Objekt ab.

Gemäß der in Abb. 2 schematisch dargestellten Meßanordnung wird die zu vermessende Oberfläche, beispielsweise eine Kunststoffolie, zwischen einer geerdeten Platte und der erfindungsgemäßen Meßsonde angeordnet, wobei die geerdete Platte und die Sonde mit einem elektrostatischen Meßinstrument verbunden sind. Zur Verbindung von Meßsonde und statischem Meßinstrument dient dabei ein bewegungsunempfindliches abgeschirmtes Spezialkabel. Die apparative Ausrüstung des erfindungsgemäßen Meßgerätes ist aus dem Blockschaltbild der A b b. 3 zu ersehen. Mittels eines abgeschirmten, bewegungsunempfindlichen Spezialkabels wird die Meßelektrode mit einem geeigneten Gleichspannungsverstärker V + H verbunden. Die Registrierung der Aufladungsmessungen erfolgt auf bekannte Art und Weise mit Hilfe eines Schreibers R.

Die gesamte apparative Anordnung gemäß Abb. 4 umfaßt eine geerdete Meßplatte M, die mit Hilfe eines Spindelantriebs SP unter der Sonde 5 hindurchbewegt werden kann. Die Meßempfindlichkeit der gesamten Anordnung kann erheblich gesteigert werden, wenn man den zu untersuchenden aufgeladenen Körper (z. B. eine Kunststoffolie) bei der Messung nicht direkt auf die Meßplatte M legt, sondern ihn in einen Rahmen spannt und frei tragend zwischen Meßplatte M und Meßelektrode E₁ hindurchführt. Die Meßplatte 1 gleitet auf Führungsstäben F und wird über einen Motor Mo und ein Getriebe G angetrieben. Die gesamte Anordnung befindet sich innerhalb des Montagerahmens R. Der Abstand des zu vermessenden Gegenstandes, beispielsweise einer Folie, von der geerdeten Grundplatte M kann dabei zu 2 cm gewählt werden.

Zur Eichung des Gerätes wird an Stelle des zu vermessenden Gegenstandes eine Metallfolie eingespannt, die sich auf ein bestimmtes variables Potential aufladen läßt. Die Meßsonde befindet sich hierbei im gleichen Abstand von der Metallfolie wie später beim Ausmessen der aufgeladenen Kunststoffoberflächen.

In den A b b. 5 a bis 5 c sind drei Meßbeispiele an Kunststoffolien wiedergegeben. Sie enthalten die Ladungsprofile, die an Polyäthylenterephthalat-, Acetylcellulose- und Polypropylenfolien gemessen wurden. Die Aufladung erfolgte hierbei durch Reiben mit einem Tuch.

Um die Reproduzierbarkeit der Messung zu prüfen, wurden die Diagramme bei Hin- und Rückbewegung des Meßwagens aufgenommen. Aus den Abb. 5a bis 5c ist zu ersehen, daß sich hierbei vollkommen identische Ladungsprofile ergeben. Auf diese Weise läßt sich zeigen, daß der gemessene Kurvenverlauf nicht von statistischen Streuungen herrührt, sondern ein echtes Ladungsprofil darstellt.

Auf Grund der Eichmessungen lassen sich die Meßgrößen direkt in Feldstärkeeinheiten angeben. Die gezeigten Diagramme stellen somit den Verlauf der Feldstärke, als Funktion einer Ortskoordinate X dar. Da die Feldstärke in funktionellem Zusammenhang mit der Flächenladungsdichte steht, stellt jedes dieser Diagramme auch ein Maß für die Verteilung der Flächenladung dar.

Der gemessene Kurvenverlauf zeigt, daß die betreffenden Folien sehr inhomogene Ladungsverteilungen aufweisen, die sich mit Hilfe eines der seither bekannten Meßverfahren nicht erfassen lassen.

In analoger Weise, wie in den Meßbeispielen gezeigt, läßt sich auch die Ladungsverteilung dünner, auf Papiere oder Folien aufgetragener Halbleiterschichten mit Hilfe des fein auflösenden erfiridungsgemäßen Meßgerätes feststellen. Dadurch kann beispielsweise eine Kontrolle der Beschichtungsgüte des Materials durchgeführt werden. Dickeninhomogenitäten in der Schicht äußern sich bei der Aufladung in Inhomogenitäten der Ladungsverteilung, die mit Hilfe des Sondenmeßgerätes ermittelt werden können. Dieses Verfahren ist z. B. von Bedeutung bei der Prüfung elektrophotographischer Papiere.

Claims

Patentansprüche:

1. Meßsonde zur Bestimmung der örtlichen Ladungsverteilung auf Oberflächen von Festkörpern, bestehend aus einer Meßelektrode E₁ und einer feststehenden AbschirmelektrodeE₂, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode (E₂) die feststehende Meßelektrode (JS₁) in der Weise umgibt, daß die Breite des Spaltes (Sp) zwischen Abschirmelektrode (E₂) und Meßelektrode (Ji₁) klein gegen die Abmessungen der Meßelektrode (E₁) ist und daß die der zu vermessenden Oberfläche zugekehrte Fläche der Meßelektrode (E₁) vorzugsweise rund oder quadratisch ausgeführt und nicht größer als 1 mm², vorzugsweise 0,6 mm² ist.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spaltes zwischen Meßelektrode (E₁) und Abschirmelektrode (E₂) höchstens 20%, vorzugsweise 10% des geringsten Durchmessers der Meßelektrode (E₁) beträgt.

3. Meßsonde nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßobjekt zugekehrte Oberfläche der Abschirmelektrode (E₂) als ebene, die Meßelektrode (E₁) umgebende Platte ausgebildet ist.

4. Meßsonde nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Meßkopfes ein geringer Überdruck aufrecht erhalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 511434;
USA.-Patentschrift Nr. 3 013 203.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen