引言

　　靜電探針又稱langrnuir探針，是一種用來進行等離子體參數測量的基本的診斷工具，通過靜電探針的，I-V特性曲線可以計算出等離子體的電子溫度、密度、空間電位和懸浮電位等重要參數。靜電探針，I-V特性曲線如圖1所示。目前，隨著等離子體在對金屬、微電子、聚合物改性，聚合、生物功能材料相容性處理，低溫殺毒以及空間技術等諸多領域的廣泛應用。開展靜電探針自動測量技術的研究開發工作，對提高等離子體應用研究工作的效率具有一定的促進作用。本文介紹的自動測量系統是以單片機為核心，采用A/D和D/A技術，能夠快速、準確地給出靜電探針I-V特性曲線。

1 系統概述

　　本自動測量系統以AT89S52單片機為核心，通過D/A轉換器、功率放大器后輸出±50V的掃描電壓加在探針的一端（以雙探針為例），同時把另一個探針上流過的微弱電流信號經取樣電阻網絡轉換成電壓信號，再經儀用放大器放大，電壓轉換后，通過A/D轉換器進行采樣。單片機把采集到的數據通過串口上傳給PC機，以便數據的進一步處理。PC端監控軟件通過串口向下位機傳送命令參數，控制數據的接收和發送，用戶使用方便，從而提高了這一領域的自動化水平。

　　系統結構如圖2所示。

2 系統硬件設計

　　2.1 掃描電壓產生模塊

　　根據靜電探針測量理論，要獲得，I-V特性曲線，需要在探針兩端加±50V的掃描電壓。該系統通過MAX531產生土2.048 V的電壓，經PA81J放大后產生±50V的掃描電壓，滿足靜電探針測量的要求。

　　MAX531是美信集成半導體公司生產的12位串行D/A轉換器，采用±5V供電，內置單電源CMOS運算放大器，其最大工作電流僅為260μA，具有很好的電壓偏移、增益和線性度，單片機通過SPI接口對其進行控制。

　　MAX531雙極性輸出接法如圖3所示。

　　PA81J是APEX公司生產的功率放大器，雙電源供電、耐壓高、輸出電壓范圍寬、偏置電流小、輸出電流大，典型的應用電路如圖4所示。

　　下面給出MAX531的C語言驅動程序：

　　2.2 電流測量模塊

　　正常情況下，流過探針的電流大概在10 uA一5 mA范圍。因此，需要對所測量的電流信號進行，I-V轉換、放大等處理，然后進行A/D轉換，這樣才能夠檢測并顯示出電流的變化趨勢。本系統先通過取樣電阻網絡，把電流信號變成電壓信號，再通過儀用放大器INAl21將測量信號放大到±5 V的范圍，INAl21典型應用電路如圖5所示。TLCl549輸入電壓范圍為0—5V，需要把±5V電壓轉化成0～5V電壓，然后送給TLCl549采樣。如圖6所示，

　　下面給出TLCl549的C語言驅動程序：

　　2.3 數據傳輸模塊

　　實際測量時，若不采取必要的措施，探針會將較高的等離子體電位引入測量系統，乃至與之相互連接的PC機系統，從而可能導致系統損壞。為了提高系統的安全性、抗干擾性能及數據傳輸的可靠性，系統串口部分直接從PC端取電。當串口打開的情況下，RTS和DTR處于5一15 V之間，實際測量的電壓在11.5 V左右。通過7805轉換后為MAX232提供工作電源，MAX232與單片機之間通過光耦隔開。

　　Pc端監控軟件通過串口與系統相連，系統把測量的數據傳輸給Pc端監控軟件，有Pc端軟件進行數據的后續處理，比如顯示I-V曲線、計算等離子參數等。

　　2.4 系統抗干擾技術

　　等離子體一般是通過高頻高壓或射頻耦合放電產生，測量環境具有非常強的電磁干擾陽1。雖然靜電探針測量采用單片機技術，提高了測量的速度，大大減少了人為誤差；但要進一步提高測量數據的準確性，保證測量系統的可靠性和適用性，需要引入抗干擾技術。

　　本系統主要采取兩種抗干擾技術，即模擬抗干擾技術和數字抗干擾技術。

　　①模擬抗干擾技術：在數據采集的前端加T型LC濾波器，它對射頻信號有很大的阻抗。用鐵盒封閉測量設備，進行可靠的接地，可有效防止射頻的空間耦合干擾。

　　②數字抗干擾技術：本系統采用多點求平均的方法，多點求平均的點數可以通過PC端軟件進行設置。此方法在實際的測量中取得了良好的效果，可有效地降低工頻干擾的影響。

3 系統測量效果

　　本系統同時適合單探針和雙探針測量方式。當采用單探針進行測量時，鋸齒波加在探針上，信號接收端接等離子體設備的外殼。測量效果如圖7（a）所示。

　　當采用雙探針進行測量的時候，鋸齒波加在其中的一個探針上，另外一個探針接信號接收端。測量效果如圖7（b）所示。所繪制的曲線為礦I-V特性曲線，橫坐標為掃描電壓值，縱坐標為取樣電阻上的電壓值。流過探針的電流值可以通過取樣電阻上的電壓除以取樣電阻值得到，這一步變換在PC端實現，在此不詳細敘述。

4 結束語

　　該系統以單片機為核心，利用現代A/D、D/A技術，大大縮短了靜電探針采集數據的時間。通過針對性的采取一些抗干擾措施，提高了獲取數據的可靠性和穩定性，從而為系統地開展等離子體特性的研究提供了保證。該系統已被國內多家高校和研究所采用，并取得了良好的測量效果。