Полупроводниковый датчик широховатости поверхности

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ, содержащий размещенные послойно сплошной электрод, эластичный чувствительный элемент и расположенные в матричном порядке измерительные электроды, и соединенную с электродами систему опроса, о тли чающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, эластичный чувствительный элемент вьтолнен из пьезоэлектрика, система otipoca выполнена в виде матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС), примыкающей лицевой поверхностью к поверхности пьезоэлектрика , электроды истоковых областей ПЗС выведены на лицевую поверхность матрицы и выполняют функции измерительных электродов датчика, а сплошной электрод заземлен.

(29) (21)

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5D G 01 В 7/34, Ц

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К ABTOPCHOIVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3575800/26-28 (22) 08.04.83 (46) 30.08.84. Бюл. ¹ 32 (72) В.С.Засед и В.M.Ïåòðoâ (71) Иосковский институт радиотехники, электроники и автоматики (53) 621 . 31 7. 39: 531 . 7) (088. 8) (56) 1. ГОСТ 19300-73 Аппаратура для измерения шероховатости поверхности профильным методом. Профилометры. Контактные системы. M...Типы, Основные параметры.

2. Заявка Франции № 2330996, кл. С 01 В 7/34, 1977 (прототип). (54)(57) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК

ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ, содержащий размещенные послойно сплошной электрод, эластичный чувствительный элемент и расположенные в матричном

Порядке измерительные электроды, и соединенную с электродами систему опроса, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, эластичный чувствительный элемент выполнен из пьезоэлектрика, система опроса выполнена в виде матрицы приборов с зарядовой связью(ПЗС1, примыкающей лицевой поверхностью к поверхности пьезоэлектрика, электроды истоковых облас" тей ПЗС выведены на лицевую поверхность матрицы и выполняют функции измерительных электродов датчика, а сплошной электрод заземпен. в 1О

20

30

40

50

1 ., 1

Изобретение относится к измерит. тельной технике и применяется для неразрушающего контроля шероховатости поверхности материалов и изделий в приборостроении и различных отраслях машиностроения.

Ф

Известны устройства, основанные на контактных способах измерения параметров микрорельефа поверхности.

Чувствительный элемент этих устройст представляет собой механический зонд (алмазную иглу .скользящий по поверхности, который через рычажный механизм передает информацию о микрорельефе в преобразующий элемент (индуктивный, пьезоэлектрический, электродинамический), где вырабатываются электрические сигналы, соответствующие вертикальным перемещением зонда f.1 .

Недостатками таких устройств; являются ограниченная способность .регистрации в виде профилограммы лишь информации вдоль трассы перемещения зонда, повышенные конструктивно-технологические требования к алмазной игле и рычажному механизму прочность, юстировка мест сопряжения деталей), что удорожает производство таких устройств. Кроме того, на этапах передачи информации от чувствительного элемента через преобразующий элемент в измерительную схему возникают различного рода искажения.

Наиболее близким к изобретению является полупроводниковый датчик шероховатости поверхности, содержащий размещенные послойно сплошной электрод, эластичный чувствительный элемент, расположенные в матричном порядке измерительные электроды и соединенную с электродами систему опроса, выполненную из стандартных блоков на полупроводниковых элементах и позволяющую регистрировать информацию двумерного характера о микрорельефе контролируемой поверхности, а также непосредственно визуализировать ее на экране осциллографа. Работа этого датчика основана на локальных изменениях электрического сопротивления эластичного слоя, выполненного на основе кремния с добавлением порошкообразного металла и тонкой пудры из активного угля в зонах размещения измерительных электродов, которые вызваны деформациями i этого слоя при воздействии на него

111024

3 неровностей микрорельефа контролиру емой поверхности С23, Недостатком известного датчика является ограниченная разрешающая способность, обусловленная конечными размерами цилиндрических измерительных электродов и сложностью их размещения в матричном порядке при обеспечении контакта с эластичным слоем.

Цель изобретения — повышение разрешающей способности датчика.

Цель достигается тем, что в полупроводниковом датчике шероховатости поверхности, содержащем размещенные послойно сплошной электрод; эластичный чувствительный элемент и расположенные в матричном порядке измерительные электроды, и соединенную с электродами систему опроса, эластичный чувствительный элемент выполнен из пьезоэлектрика, система опроса выполнена в виде матрицы приборов с зарядовой связью(ПЗС), примыкающей лицевой поверхностью к поверхности пьезоэлектрика, электроды истоковых областей ПЗС выведены на лицевую поверхность матрицы и выполняют функции измерительных электродов, а сплошной электрод заземлен

На фиг.1 схематично показано поперечное сечение датчика в области одной из ячеек матрицы ПЗС; на фиг. 2 — фрагмент системы опроса, план; на фиг. 3 — эквивалентная электрическая схема одной из ячеек датчика; на фиг. 4 — передаточная характеристика датчика.

Полупроводниковый датчик шероховатости поверхности .содержит разме- щенные.послойно сплошной электрод 1, который может быть выполнен, например, из алюминия толщиной 10-50 нм, слой 2 пластичного пьезоэлектрика, например поливинилиденфторида толщиной 5-30 мкм, и измерительные электроды 3, представляющие собой выведенные на лицевую поверхность матрицы приборов с .зарядовой связью (ПЗС1 .б электроды истоковых областей, которые могут быть выполнены, например, иэ поликремния. Матрица ПЗС прижата этой поверхностью к поверхности пластичного пьезоэлектрика ° Каждый прибор с зарядовой связью этой матрицы представляет собой транзисторную структуру, которая содержит слой 4 из диэлектрика, например фосфорносиликатного стекла, а также

111 1024 истоковую область 5, отделенную каналом 6 от стоковой области 7, которые сформированы в подложке 8.

Затвор 9 отделен от канала 6 и области 7 слоем диэлектрика 10. Каждый

ПЗС матрицы отделен от смежного прибора областями 11, представляющими собой стоп-каналы для предотвращения растекания зарядового рельефа.

Благодаря высокому продольному сопротивлению пьезоэлектрика (10 Ом.м)

g взаимная изоляция отдельных ячеек датчика на уровне пьезоэлектрика отсутствует.

Для вывода информации из каждой потенциальной ямы, связанной с областями 7 матрицы ПЗС, предусмотрены шины 12 подачи тактовых импульсов поперечных ПЗС-регистров 13„ шина 14 передачи заряда в продольный

ПЗС-регистр р 15 и шины 16 подачи тактовых импульсов продольного ПЗСрегистра 15, выход 17 которого представляет собой выход датчика, к которому может быть подключен инди/ катор(не показан )любого типа (BoJIbT метр, осциллограф и др.1

При измерениях шероховатости поверхности контролируемого обЪекта

18 датчик накладывается на нее по-. верхностью сплошного электрода 1, который при этом заземляется.

Полупроводниковый датчик шероховатости поверхности работает следующим образом.

В зависимости от напряжения V на измерительных электродах 3 истоковых областей 5, создаваемого пьезопотенциалом в данной области с апертурой., равной площади электрода 3, при одинаковых(для всех ПЗС матрицы1значениях тактового напряжения Vg на затворах 9 изменяется напряжение затвористок, регулирующее величину заряда

Й, передаваемого в стоковую область

7(фиг. 3), которая в поперечном направлении является одной из областей поперечного ПЗС-регистра 13.

Подача тактовых импульсов на затворы 9 ПЗС- регистров синхронизована с прижатием датчика к исследуемой поверхности объекта 18, благодаря чему потенциальный рельеф преобразуется в зарядовый рельеф, передаваемый под действием тактовых импульсов в продольный ПЗС-регистр

15, а затем на выход 17 датчика и во внешнюю цепь индикации(не показана ). Серии тактовых импульсов пере дачи заряда по поперечному ПЗСрегистру 13 предшествует импульс отпирания канальных транзисторных структур матрицы ПЗС. Сотношение

5 амплитуд тактовых импульсов и отпирающего импульса выбрано таким, чтобы .тактовые импульсы не отпирали транзисторные ячейки матрицы. Таким образом, каждая ячейка датчика выО дает электрический импульсный сигнал соответствующий среднему значению высоты микронеровностей на исследуемом участке IIQB pxHocTH объекта 18.

Передаточная характеристика датt5 чика в интервале от 3 до 10 мкм при выбранной толщине слоя пластичного пьезоэлектрика(10 мкм1имеет линейный участок, а чувствительность его практически постоянна.

20 Для микронеровностей, меньших 3 мкм, характеристика становится более пологой, так как пьезопотенциал в ячейке датчика образуется совокупным воздействием нескольких

25 пиков микронеровностей; для микронеровностей, .больших 10 мкм, характеристика также становится более пологой, так как при этом на пьезоэлектрик воздействует только часть

ЗО пика микронеравности.

Для повышения чувствительности датчика площадь электродов 3 истоковых областей 5 матрицы ПЭС выполняется, примерно, равной площади одного ПЗС, благодаря чему обеспечивает35 ся увеличение измеряемого пьезопотенциала за счет увеличения площади

"опроса" пьезоэлектрика.

Последовательность импульсов, образующихся на выходе 17 полупровод40 никового датчика шероховатости, подается на индикатор: вольтметр, экран осциллографа.или ЭВМ;; Калибровка индикатора производится по эталонным поверхностям.

Благодаря тому, что высота микронеровностей шероховатой поверхности характеризуется цифро-аналоговым сигналом, .привязанным к определенной координате контролируемой поверхности, обеспечивается двумерная идентификация параметров шероховатости этой поверхности.

Разрешающая способность датчика определяется разрядностью матрицы

55 ПЗС.

Эффективность работы полупроводникового датчика шероховатости IIoверхности существенно зависит от

1111024 точности изготовления его составных частей. Матрица ПЗС изготавливается по известной технологии. Сначала предварительно растянутая и поляризованная пленка поливинилиденфторида накладывается на пластину кремния с матрицей ПЗС и подвергается пластической деформации с целью создания лицевой поверхности с минимальной шероховатостью. Для этого поверх- 10 ность пьеэоэлектрика приводится в соприкосновение с нагретой эталонной безадгезионной поверхностью, например, из фторопласта. На полученную таким путем гладкую поверх- 15 .ность пластичного пьезозлектрика наносится напылением в вакууме слой металла, например алюминия, толщиной

10-50 нм, который служит общим электродом для образующегося потенциаль- ро ного рельефа.

При соблюдении указанных технических требований при изготовлении датчика можно обеспечить с его помощью регистрацию микронеровностей со значением шероховатости от

О,025 до 50 мкм. Рабочее поле датчика определяется площадью кристалла используемого для матрицы ПЗС, и составляет 30-70 мм . Датчик может использоваться для контроля шероховатости не только плоских поверхностей. Если с любой по кривизне поверхности изготовить слепок, например, на целлулоидной пленке, то по такому промежуточному носителю информации можно проконтролировать шероховатость поверхности практически любой формы с высокой разрешающей способностью. Кроме того, датчик может быть размещен в труднодоступных местах благодаря его миниатюрным размерам.

Применение предлагаемого датчика позволяет по сравнению с известными профилометрами механического типа повысить число трасс ощупывания с

1-3 до 100 и более, разрешение предлагаемого устройства ограничивается разрядностью матрицы ПЗС при снижении оперативного времени регистрации шероховатости от 10-ЬО с до единиц секунд.

llll024

ЖФОЯЮР

4УВФ4Ю (e8) дюсм7а /чикдд неродност C+<+)

Составитель С.Скрыпник редактор М.Дылын Техред Л.Коцюбняк Корректор И.Эрдейи

Заказ 6296/32 Тираж 586 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д.4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4