高性能朗缪尔探针测量仪的研制

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Development of High Performance Langmuir Probe M easuring InstrumentZHANG Mi-mi，CHENG Jian，LI Xiang(Department of Automation，School of Information Science and Technology，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China1Abstract：The system structure and working principle of the automatic Langmuir probe measuring instrumentare introduced briefly.The circuit design of signal generating，acquisition and processing system is described。

Through precision low noise instrument amplifier，appropriate resistance and capacitance，etc.，the analog cir-cuit iS buih.Besides。filter circuit design through the whole analog circuit ensures the realization of the lOWnoise data acquisition system.Ground error on single probe measurement is solved by high-side current senseand floating ground methods.With 8 ×7 current sampling range switching.simultaneous sampling of voltageand current signals.the precise measurement of dynamic weak signal from 10 nA to 50 mA is achieved。

Key words：plasma；Langmuir probe；measurement；dynamic weak signal；high-side current sense；low noise目前，等离子体被广泛应用于刻蚀、镀膜、表面改性、低温杀毒等工业应用及聚变、强流束、飞行器鞘套与尾迹、空间技术等诸多领域 。等离子体中的电子温度、电子密度、离子密度等参数，在等离子体技术研究和应用中起着至关重要的作用。而静电探针又称Langmuir探针，是对等离子体进行诊断的重要工具 J，通过静电探针的//V曲线，可以获取这些参数。因此，自主开发-套高性能静电探针自动测量系统是十分必要的。探针 ，/V曲线图如图 1所示。其中 。为电子饱和电流，， 。为离子饱和电流。

收稿日期：2012-02-24作者简介：张蜜蜜(1987-)，女，安徽桐城人，硕士研究生，主要研 究方向为智能测控仪器研发；程健(1964-)，男，安徽人 ，高级工程师，主要研究方向为智能测控，分布式现场总线系统；李想(1987-)，男，四川人，硕士研究生，主要研究方向为智能仪器和网络测控系统软件开发。

电 /YlUAI - - /p - -- - l / II I 电- - c---- ·- .-- - - 图 1 Langmuir探针 I/V特性 曲线本文采用高边检流和浮地方法，将锯齿波扫描电压作为电流检测拈的地，避免了低边测量时真空反应室的外壳与地之间的接触不良造成的误差。对系统的干扰源采取相应的抗干扰措施，模拟电路信号采集部分的精度保持在3%以内。Pc机通过RS-232实时监控探针测量系统的工作。

高性能朗缪尔探针测量仪的研制 ·49·1 测量仪的构成及工作原理本测量仪以ARM处理器、ADC、DAC、运算放大器为基础，构建了-个信号发生及信号采集处理系统。

以 AT91 SAM9260微处理器为核心，经 DAC和高压功率放大器输出±150 V的锯齿波电压扫描信号～该电压扫描信号加在双探针之间或单探针与真空器壁之间，检测流过探针的电流，控制板将检测到的电压和电流信号发送至上位机，绘制出相应的，/ 曲线图。上位机软件通过分析计算，可以得到等离子体的电子密度、电子温度、空间电位、悬浮电位等重要参数。

测量仪通过继电器网络切换不同的量程，可以达到的电流i贝0量范围是 10 nA～50 mA。取样电阻有 10Q ，100 n ，1 kO ，10 kQ ，50 kO，100 k1)，200 k12，500kn共8个量程；放大倍数有l，2，5，1O，2O，50，100共7个量程。根据探针电流的大小，可以通过上位机设定适合的取样电阻和放大倍数。测量仪系统结构框图如图2所示。

真空反应室图 2 静电探针自动测量仪系统结构框图2 系统硬件设计2.1 锯齿波扫描电压产生拈探针测量 ，/ 曲线时需要 ±100 V的锯齿波扫描电压。启动探针的 自清洗功能时，需要输出 4-150 V的直流电压信号。系统通过 AT91SAM9260控制 DAC输出±6.7 V的锯齿波信号，经PA42功率放大器电路输出 ±100 V的锯齿波。自清洗时，改变 DAC的输出幅值为 ±10 V，使得 PA42输出 ±150V。硬件设置PA42限流至60 mA。用户可以通过上位机界面配置所需的工作方式及相应的扫描电压信号。输出锯齿波如图3所示。

2.2 信号采集拈该部分包括探针电压信号检测拈和电流信号检测拈。两部分电路原理基本类似，区别只是电流信号的检测采用了高边检流的方法。下面以电流信号检测拈来说明。为了检测该电流信号，在锯齿波电压扫描信号输出端和探针之间加上取样电阻，得到相应的取样电压，通过选择相应的量程，经过滤波、放大、光耦隔离后输出0.5～4.5 V的信号，经低通滤波进入A/D转换器。为了提高测量精度，采用双通道同步采样A/D转换器AD7866，实现电压电流信号的同步采样。

图3 PA42输出锯齿波信号2.2.1 高边检流取样电阻检测电流信号有两种方式，低边检流和高边检流。取样电阻放在负载和地之间，这种方法称为低边电流检测，此时电阻的共模电压接近地电平。

与之对应的是高边电流检测，即取样电阻放在电源和负载之间，电阻的共模电压接近电源电压 j。

传统的检测方法是将取样电阻放在探针和电路地之间，即低边检流。对于单探针测量，低边检流时，-般情况下，用户现耻难解决好系统统-接地的问题，这就会在测量输出信号中引入接地误差，造成测量结果非常不准确。本文引入高边电流检测的方法，即锯齿波电压经过取样电阻再接单探针构成回路，如图 4所示，有效地解决了由于接地混乱而产生的测量误差问题。

真空室图 4 电流检测电路图2.2.2 浮地在高边检流中，由于取样电阻两端存在高达±150V的锯齿波共模信号，而-般放大器的共模电压范围是在其供电电源值左右。为了解决这个问题，提出了浮地的方案。即在电流检测拈，将 PA42输出的锯齿波电压信号作为电流检测部分的地(AGND)，如图4所示，这样后级的放大滤波电路就不存在高共模干扰问题。

· 5O· 《测控技术)2013年第32卷第1期2。2.3 输入保护及滤波电路为了防止取样电阻端的电压过大，损坏后级测量电路，采用由2N4117A搭建的二极管保护电路，将取样电压信号限制在 ±15.7 V之内，可以有效地保护后级测量电路。2N4117A是N通道JFET，相比普通二极管，具有极低的漏电流，其漏电流值最大不超过 1 pA，非常适合微弱电流信号的测量。

2.2.4 放大电路设计为了获得较好的性能，放大器选用高精度仪用放大器 INA111进行设计。该放大器是高速、FET输入型的仪用放大器，具有非常优越的动态和静态性能。

G ㈩ VoG( - -) (2)INA111的引脚 5为 REF端，本设计采用运算放大器加可调电阻配置输出 -2.5 V提供偏置电压，以保证REF端低阻抗，从而确保高共模抑制比。

此外，为了提高测量精度，在 INA11l输入端加了低通滤波电路(如图4所示)。

1f 盯 丽 15 Hz (3)选取 RlR25 MQ，C310C110C21 nF。电阻选用精度为 1%的金属膜电阻，电容选用漏电小的聚苯乙烯电容。

2.2.5 50 Hz陷波器的设计5O Hz工频干扰信号会通过电源线、地回路、电磁感应等多种途径耦合到测量电路中 ]。本文选用 1I公司的通用有源滤波器芯片 UAF42AP搭建 50 Hz陷波器 J。电路如图5所示，陷波宽度为20 Hz。

图5 UAF42AP电路图及实际测试结果图经测试表明，输入峰峰值 5 V的50 Hz正弦波信号，经陷波后的输出为峰峰值 100 mV，信号衰减可达50倍，且对于40 Hz以下或60 Hz以上信号几乎无衰减，满足使用要求。此方法优于常用的双T形陷波器电路，传统的双 T形陷波电路对电阻和电容的误差有着严格的要求，实际调试困难，测试效果比较差，很难满足使用要求。

> 出衄删嚣末2.O1.51.O0.5O.0探针扫描电压 /V(a)单探针测量结果3 实际测量效果该测量仪还具有短路报警功能，防止探针短路取样电阻上电压过高，从而对测量仪的破坏。图6(a)和图6(b)分别为测量仪对 100 nA单探针测量和双探针测量结果显示图。图7(a)和图7(b)分别为 l0 nA单探针测量和双探针测量结果显示图。

> 幽脚删蔑本蜷90 -60 -30 0 30 60 90探针扫描电压 /V(b)双探针测量结果图6 100 nA单、双探针现场测试 //V曲线图0 5 O 5 O 5 O 5 n2 o 0 I.I-、 -- - -O .1 J 9 寸÷-.∞- - -t-÷1J如. L. L： . -J O. ，J- - - -O .11J 3 - - - - -.， J- - - -O .，，， ，O- - - - -. ， - - - -O . --l .J 9 -； r L - -l5 O 5 0 O l 1 2 高性能朗缪尔探针测量仪的研制 ·51·> 出删嚣本蜷2.01.51.0O.50.O- 0.5 - -； ；- -；- - - --：--：--。I- . - -；-；- - - -- 1.0 - -：-：-：- - - . 。-：..：-- - - - -：-：.：- - -- 1.5 - -：-：-；- - . ..：。-：--：-- - - -：-：.：.：- - -- 2.0 - .：.：.：. . - - --：-- - - . .：.：-：- - - -- 2 5 . . . - . - - - - -.：.- . . . - - - - . 。

- 90 -60 -30 0 30 6O 90探针扫描电压 /V(a)单探针测量结果- 90 -60 -30 0 3O 60 9O探针扫描电压/V(b)双探针测量结果图7 10 nA单、双探针现场测试//V曲线图由图可以看出，探针电流在 100 nA时，此时真空室等离子体密度较高，，/ 曲线图很平滑，基本无噪声。当电流低至 10 nA或以下时，所测 ，/ 曲线图噪声偏大。主要原因是由于真空室等离子体密度太低时，等离子体的稳定性较差，导致所测的电流有-定的抖动，另外电流太小测量误差也有所增大。经现场测试表明，探针电流在10 nA～50 mA时，测量结果可靠可信。

4 结束语本测量仪在设计中，针对性地采取诸如滤波、模拟地与数字地间的隔离、电源隔离等-些抗干扰措施，增加灵活的量程切换网络、短路保护等功能电路，大大提升了测量水平；通过采用高边检流、浮地等技术手段，很好地解决了接地干扰的问题，提高了单探针测量的准确度。实际使用测试表明，该测量仪功能完备，使用安全可靠。本文介绍的-些技术手段和方法，对于相似功能测控仪器的设计，具有很好的参考价值。