Датчик малых перемещений

 

+ceeм„ тмо т » т д»т,, Origg p

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕ Н И Я

<>682763

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) 3 аяэлено 08.06.77 (21) 2495377/18-24 с арисоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (43) Огубликовано 30.08.?9. Бюллетень ¹ 32 (45) Дата опубликования описания .12.09.79

<5!) М.Кл.з Г 0il П 5 20

Государствеииый комитет

СССР

") УДК 681З25 (088.8) ио делам изобретений и открытий (?2) Авторы изобретения В. В. Попов, М. Ф. Зарипов, И. Ю. Петрова, В. М. Гусаков и А. В. Зеленцов (71) Заявитель Уфимский авиационный институт им. Орджоникидзе (54) ДАТЧИК МАЛЬ(Х ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Изобретение относится K информационно-измерительной технике и автоматике н может быть использовано в системах автоматического управления для контроля и измерения перемещений в качестве датчика малых перемещений.

Известен преобразователь личейных перемещений в напряжение (1), состоящий из электрических катушек с железными сердечниками и подвижных м=,г"::--:итных шунтов.

Недостатками этих преобразователей являются большая потребляемая мощность, наличие подвижных KiQHTBKTQB и малая точность.

Наиболее близок,к изобретению датчик малых перемещений (2), содержащий регистрирующий элемент и магнитную систему, в зазоре которой размещен подвижный гальваномагнитный элемент. Гальваномагнитный элемент выполнен в виде датчика

Холла.

К недостаткам галываномаг-:итного микрометра относятся большая потребляемая мощность и малая чувствительность по перемещению.

Цель изобретения — повышение чувствительности датчика малых перемещений и снижение потребляемой мощности.

Поставленная цел достигается тем, что в датчик введены п.точник тактоBbI)i импульсов, источник питания, дифференциальный усилитель и резисторы, а подвижный гальваномагнитный =-..-емснт выполнен э виде регистра сдвига на приборах с зарядовой связью, на полупроводниковой подложке которы.;, покрытой д;1элснтрическим слOt .ì, расположены входно - и выходной затворы, 10 между которыми размещены электроды переноса заряда. В полупроводниковой подложке перед входным затвором находится входной диод, а после выходного затвора —— выходные диоды. 3л-.ктроды переноса за15 ряда подключены к источнику тактовых импульсов, входной диод соединен с источником питания, а выходные диоды через резисторы — с источником питания и непосредственно с вхо: а 1п диффсренцирующего

20 усилителя, выход которого подкл1очен и регистрирующему элементу.

На фиг. 1 изображен датчик малых перемещений, на фиг. 2 — разрез А — А на фиг. 1. Датчик состоит пз магнитной систе25 мы с зазором и подвижного гальваномагнитного эломента, перемещающегося в зазоре. На фиг. 3 показан подвижный гальваномагнитный элемент в виде регистра сдвига на приборах с зарядовой связью; на

ЗО фиг. 4 — разрез Б — Б на фиг. 3.

682763

Магнитная система состоит пз постоянных магнитов 1,и магнитолроводов 2, соединяющих эти мапниты и образующих четырехполюсную систему с неоднородным магнитным полем в зазоре. В зaçîðе магнитной системы размещен регистр сдвига на приборах с зарядовой связью, выполненный на полупроводниковой лод.-о>ккс 8 из кремния п-типа, птокрытой диэлектрическим слоем 4 окисла кремния, на котором размещены входной 5 и выходной б затворы, а между ними — ряд электродов 7 — 12 переноса заряда из алюминия. Последний электрод переноса заряда, находящийся перед выходным затвором 6, разделен на трц части; 12„12, 12„, выполненные отдельно друг от друга. В подложке 8 перед входным затвором размещен входной р+ диод

18 с омичеоким контактом 14. После вы.;одного затвора б в подло>кке 8 расположены выходные рч диоды 15„15;„15, с омическими;контактами 16, 1б, 16,,Число выходных уствойств равно числу частей последнего электрода переноса заряда. При необходимости число выходных у"тройств и число частей последнего электрода переноса заряда можно увеличить для дости>кения необходимой точности.

Выходные устройства отделень друг от друга и расположены поперек кана.ча в подложке 8, по которому проходят 1-"= основные носители заряда при лрило>кении тактовых импульсов напря>кения к электродам переноса заряда. Электроды переноса заряда выполнены в виде дуг и так, что каждый последующий электрод больше предыдущего ло площади, начиная с электрода, расположенного после входного затвора, а вся совокупность электродов образует конфигурацию в виде клина. Выходные диоды 15„—

15, своими контактами подключены к источнику 17 литания (Еь Ер, Е ) через резисторы, входной диод 18 подключен также к источнику 17 питания (Е4) . Электроды

7 — 12 переноса заряда, входной затвор 5 и выходной затвор б подсоединены к источнику 18 тактовых импульсов (соответственно клеммы Ф1 — Фз, Ф4 и Ф5). Выходные диоды

15 подключены также через диффзренцлрующий усилитель 19 к регисгрируюгцему элементу 20.

Датчик малых перемещений работает следующим образом.

Входной диод !3 при лропускании тока создает однородное распределение неосновных носителей заряда дырок в подложке 8.

Для обеспечения хранения дырок к ближайшему из ряда электродов 7 прикладывается отрицательное напря>кение около вЂ,10 В для создания потенциальной ямы в подложечке 8. При подаче разрешающего им пульса напряжения на входной затвор 5 дырки от входного диода 18 протекают в потенциальную яму под электродом 7. Для обеспечения передачи дырок от электрода 7

65 к смежному электроду 8, к электроду 8 прикладывается большее отрицательное напряжение — 20 В. Под электродом 8 образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекают дырки.

Напряжение на электроде 7 снижается до 1 — 2 В (пороговое напряжение), а после перетекания дырок на электроде 8 — до — 10 В (напряжение хранения) .

В следующий такт времени напряжение на электроде 9 с величины порогового напряжения понижается до напряжения запис» — 20 В и дырки из-,под электрода 8 перетекают под электрод 9 и т. д. Таким образом, для передачи заряда используется трехтактная система импульсов напряжения (Фь Фь Фз)

При отсутствии магнитного поля дырки движутся равномерно к последнему электроду, состоящему из трех частей 12„, 12;, 12, и собираются в потенциальных ямах под этими электродами в одинаковом количестве. Максимальное время, которое могут вкрапиться дырки в потенциа".bíûõ ямах под электродами 12„12„-, 12„определяется процессами термогенерации и может составлять величину порядка 1 с. Частота импульсов Ф5, подаваемых на выходной затвор 6, меньше, чем ча стота импу".üñîâ Ф,„ подаваемых на входной затвор ". Вс, едствие этого происходит интегрирование переносимого заряда под электродами 12,, 12, 12„,.

В моменты времени, когда отрицательное напряжение — 20 В подается на выходной затвор 6, заряды из потенциальных ям под электродами 12„, 12,-, 12„перет.кают через обедненную область под выходным затвором и экстрагируются обратносмещенными выходными р+ диодами,15„, 15,-, 15, выходных областей. Выходные напряжения снимаются с выходных электродов через резисторы 21, 22, 28 соответственно за время действия импульса напряжения на выходном затворе б и с резисторов 21, 22 подаются на дифференцирующий усилитель 19.

Разностный сигнал с дифферонцирующего усилителя поступает на регистрирующий элемент 20.

При движении регистра сдвига на приборах с зарядовой связью в неоднородном магнитном поле в зазоре магнитной системы с постоянной скоростью и так, что магнитное поле направлено перпендикулярно к поверхности регистра сдвига, на который размещены электроды 7 — 12 переноса заряда, на неосновные носители заряда при их движении в подложке 8 действует магнитная сила, которая отклоняет их, причем тем больше, чем больше магнитная индукция в зазоре.

При движении в подложке вдоль ряда электродов переноса неосновные носители заряда (дыркп) отклоняются магнитным полем и собираются в потенциальных ямах

682763 под электродами 12„12„-, 12,. Направление и распределение магнитного поля в зазоре таковы, что большая часть дырок попадает под электрод 12„, а .1еньшая часть — под электрод 12;. По мере перемещения регистра сдвига в зазоре все большая часть дырок, инжектированных входным диодом 18 в подложку 8, попадают в яму под электрод

12„и все меньшая часть под электрод 12;.

Из-под этих электродоз дырки при подаче импульса напряя;ения ità выходной затвор б экстрагируются соответствующими

p+ диодами Bblxo. t:-Iûê элемечтов: из-под электрода 12„— р+ диодом 1б„из-под электрода 12„- — выходным р — диодом 15; и т. д.

Выходной сигнал напряжения, снимаемый с резистора 21, больше, чем снимаемый с резистора 22. О а сигнала подаются на дифференцирующпй усилитель 19, и с него разностный сигнал поступает на регистрирующий элемент 20.

Таким образом, выходной сигнал на регистрирующем элементе 20 оказывается пропорциональным градиенту индукции магнитного поля, т. е. перемещению регистра сдвига на приборах с зарядовой связью (ПЗС) в зазоре с неоднородным магнитным полем.

Так как скорость перемещения регистра сдвига в зазоре мала по сравнению со скоростью передачи неосновных носителей заряда от входного устройства к выходным, то выходной сигнал успевает следить за малым перемещением регистра сдвига, т. е. данный датчик малых перемещений является без ы нер цио ни ы м.

В данной конструкции датчика применяются три выходных диода. Для увеличения точности можно увеличить число выходных диодов.

Использование в качестве подвижного гальваномагнитного элемента регистра сдвига на ПЗС снижает потребляемую мощность устройства благодаря тому, что регистр сдвига на ПЗС работает в импульсном режиме и при передаче заряда от входного диода к выходным затрачивается малая мо цность в несколько пкВт.

Датчик малых перемещений с регистром сдвига на ПЗС в качестве подвижного эле., ента обладает повышенной чувствительностью, —àê :как переносимые заряды могут накапливаться под электродами 12„12, 12, до считывания после периода интегрирования, который определяется частотой импульсов Ф5, подаваемых на выходной затвор б.

Формула изобретения

Датчик малых перемещений, содержащий регистрирующий элемент п магнитную систему, в зазоре которой размещен подв:Iæíûé г=-.ëhBàíoìàãíèòíûé элемент, о т л пч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и уменьшения потребляеio!I мощности датчика, в него введены источник тактовых импульсов, источник питания, дифференциальный усилитель и резисторы, а подвижный гальваномагнитный элемент вь полнен в виде регистра сдвига, на приборах с зарядовой связью, на полупроводникэвОй подложке которых, п014ры25 той диэлектрическим слоем. расположены входной и выходной затворы, между которыми размещены электроды переноса заряда, в полупроводниковой подложке перед входным затвором размещен входной диод, ЗО = после выходного затвора — выходные диоды, электроды переноса заряда подключены к источнику тактовых импульсов, входной диод соединен с источником питания, выходные диоды соединены через резисторы

35 с источником питания и непосредственно с входами дифференцирующего усилителя, выход которого подключен к регистрирующему элементу.

40 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР № 458009, G 08 С 9/04, 1973.

2. Котенко Г. И. и др. Гальваномагнитный микрометр. «Приборы и системы управления», . 1 7, 1967 (прототип).

682763

1 г б у — -с б

ы

1

Фиг. 2.

Г:;.,;г ., „.

" .

r . ,Я ;::, „,". ; . ( (, .

); . .. г — — — — —-. ,I 20Составитель Г. Антонова

Техред A. Камышникова

Корректор И. Симкина

Редактор И. Грузова

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

Заказ 855/!078 Изд. М 545 Тираж 865 Г1одписнос

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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