Полупроводниковый датчик широховатости поверхности Советский патент 1984 года по МПК G01B7/34 

Изобретение относится к измерит, тельной технике и применяется для неразрушающего контроля шероховатости поверхности материалов и изделий в приборостроении и различных отраслях машиностроения. Известны устройства, основанные на контактных способах измерения параметров микрорельефа поверхности Чувствительный элемент этих устройс представляет собой механический зонд (алмазную иглу скользящий по поверхности, который через рычажный механизм передает информацию о микрорельефе в преобразующий элемен (индуктивный, пьезоэлектрический, электродинамический), где вырабатываются электрические сигналы, соответствующие вертикальным перемещени ем зонда Ll1. Недостатками таких устройств, являются ограниченная способность регистрации в виде профилограммы лишь информации вдоль трассы переме щения зонда, повышенные конструктив но-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 матрич ном 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 визу ализировать ее на экране осциллографа. Работа этого датчика основан 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 этого слоя при воздействии на него 42 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 чувствительньш 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 sНа фиг,I 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 размещенные-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 (ПЗС) электроды истоковых областей, которые могут быть выполнены, например, из 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

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 (Ю Омвзаимная 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 продольньй ПЗС-регист 15 и шины 16 подачи тактовых импульсов продольного ПЗСрегистра 15, выход 17 которого представляет собой выход датчика, к которому может быть подключен индикатор (не показан )любого типа (вольтметр, осциллограф и др.) .

При измерениях шероховатости поверхности контролируемого обЬекта 18 датчик накладывается на нее по-, верхностью сплошного электрода 1, который при этом заземляется.

Полупроводниковый датчик шероховатости поверхности работает следуюш,им образом.

В зависимости от напряжения Vg на измерительных электродах 3 истоковых областей 5, создаваемого пьезопотенциалом в данной области с апертурой. равной площади электрода 3, при одинаковых (для всех ПЗС матрицы)значениях тактового напряжения Vcj на затворах 9 изменяется напряжение затвор-исток , регулирующее величину заряда О., 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 рвогьеф преобразуется в зарядовый рельеф, передаваемый под действием тактовых импульсов в продольный ПЗС-регистр 15, а зачтем на выход 17 датчика и во внешнюю цепь индикации(не показана . Серии тактовых импульсов передачи заряда по поперечному ПЗСрегистру 13 предшествует импульс отпирания канальных транзисторных структур .матрицы ПЗС. Сотношение амплитуд тактовых импульсов и отпирающего импульса выбрано таким, чтобы .тактовые импульсы не отпирали транзисторные ячейки матрицы. Таким образом, каждая ячейка датчика выдает электрический импульсный сигнаш соответствующий среднему значению высоты микронеровностей на исследуемом участке поверхности объекта 18.

Передаточная характеристика датчика в интервале от 3 до 10 мкм

5 при выбранной толщине слоя пластцчного пьезоэлектрика (10 мкм имеет линейный участок, а чувствительность его практически постоянна.

Для микронеровностей, меньших 3

0 мкм, характеристика становится более пологой, так как пьезоПотенциал в ячейке датчика образуется совокупным воздействием нескольких пиков микронеровностей; для микро5неровностей, .больших 10 мкм, характеристика также становится более пологой, так как при этом на пьезоэлектрик воздействует только часть пика микронеравности.

0

Для повышения чувствительности датчика площадь электродов 3 истоковых областей 5 матрицы ЦЭС выполняется, примерно, равной площади одного ПЗС, благодаря чему обеспечивает5ся увеличение измеряемого пьезопотенциала.за счет увеличения площади опроса пьезоэлектрика.

Последовательность импульсов, образующихся на выходе I7 полупровод0никового датчика шероховатости, подается на индикатор: вольтметр, экран осциллографа, или ЭВМ.-. Калибровка индикатора производится по эталонным поверхностям.

5

Благодаря тому, что высота микронеровностей шероховатой поверхности характеризуется цифро-аналоговым сигналом, привязанным к определенной координате контролируемой поверх0 ности, обеспечивается двумерная идентификация параметров шероховатости этой поверхности.

Разрешающая способность датчика определяется разрядностью матрицы

5 ПЗС.

Эффективность работы полупроводникового датчика шероховатости поверхности существенно зависит от

точности изготовления его составных частей. Мат4)ица 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 поверхкость пьезоэлектрика приводится в соприкосновение с нагретой эталонной безадгезионной поверхностью, например, из фторопласта. На полученную таким путем гладкую поверхкость пластичного пьезоэлектрика накосится напьшением в вакууме слой металла, например алюминия,толщиной 10-50 нм, которьш служит общим электродом для образующегося потенциалького рельефа.

При соблюдении указанных технических требований при изготовлении датчика можно обеспечить с его помощью регистрацию микронеровностей со значением шероховатости g от 0,025 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 10-60 с до единиц секунд.

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 пьезо- электрика, 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.

15

Фиг.г

13

12

т

/7 W