Датчик малых перемещений Советский патент 1979 года по МПК G01D5/20 

(54) ДАТЧИК МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и а втоматике и может быть иопользовано в системах автоматического управления для контроля и измерения перемещений в качестзе датчика малых перемещений.

Известен преобразователь линейных перемещений iB напряжение 1, состоящий из электрических катушек с железными сердечниками и подвижных магнитных шунтов.

Недостатками этих дреобразователей Являются большая потребляемая мощность, наличие подвижных контактов 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 датчи:ка Холла.

К недостаткам гальваномагнитного микрометра относятся больщая потребляемая мощность и малая чувствительность по перемещению.

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

Поставленная цель достигается тем, что в датчик введены 1 с:точник тактовых импульсов, источник питания, дифференциальный усилитель и резисторы, а .подвижный гальваномагнитный э.пемент выполнен в виде регистра сдвига на приборах с зарядовой связью, на полупроводниковой подложке которых, по,крытой д;)электрическим слоем, расположены входной и выходной затворы, мелчду которыми раз.;ещены электроды переноса заряда. В полупроводниковой подложке перед входным затвором на.ходится входной диод, а после выходного затвора - выходные диоды. Э.ектроды переноса заряда подключены к источнику тактовых импульсов, входной диод соединен с источником питания, а выходные диоды через резисторы - с источником питания и непосредственно с входами дифференцирующего усилителя, выход которого подключен к регистрирующему элементу.

На фиг. 1 изображ-ен датчик малых перемещений, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Датчик состоит из магнитной системы с зазором и подвижного гальваномагнитного элемента, перемещающегося в зазоре. На фиг. 3 показан подвижный гальвеномагнитный элемент в виде регистра сдвига на приборах с зарядовой связью; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3.

Магнитная система состоит пз постоянных магнитов / л .рово,до;3 2, соединяющих эти магниты и образующих четырехполюсную систем) с неоднородным магнитным полем в зазоре. В зазоре магнитной системы размещен регистр сдвига на приборах с зарядовой связью, выполненный на полупроводниковой иод.эжке 3 из кремния п-типа, покрытой диэлектрическим слоем 4 окисла кремния, на котором размещены входной 5 и выходной 6 затворы, а меледу НИми - ряд электродов 7-12 переноса заряда из алюминия. Последний электрод переноса заряда, находящийся пере.т выходным затвором 6, разделен на три части: 12, /2д, /2а, выполненные отдельно друг от друга. В подложке 3 1перед входным затвором размещен входной диод 13 с оиическим контактом 14. После выходного затвора 6 в подложке 3 расположены выходные р дноды ,М„, /5g,, омическими 1каитактами /6„, 16fj, /5.Число выходных устройств равно числу частей последнего электрода переноса заряда. При необходимости число выходных устройств и число частей последнего электрода переноса заряда можно увеличить для достижения необходимой точности.

Выходные устройства отделены друг от друга и расположены ионерек канала в подложке 3, по которому проходят кгоСновные носители заряда при приложении тактовых импульсов напряжения к электродам переноса заряда. Электроды переноса заряда вьшолнены в виде дуг и так, что каждый иоследующий электрод больше предыдущего по площади, начиная с электрода, расположенного после входного затвора, а вся совокупность электродов образует конфигурацию в виде клина. Выходные диоды /5„ - 5д своими контактами подключены к источнику 17 аитаиия (ь Е, ЕЗ) через резисторы, входной диод 13 подключен также к источнику 17 питания (4). Электроды 7-12 переноса за,ряда, входной затвор 5 и выходной затвор 6 подсоединены к источнику 1-8 тактовых импульсов (соответственно клеммы , Ф4 и Фб). Выходные диоды 15 подключены также через дифференцирующий усилитель 19 к регистрирующему элементу 20.

Датчик малых перемещений работает следующи1м образом.

Входной диод 13 три пропускании тока создает однородное распределение неосновных носителей заряда дырок в подложке 3. Для обеспечения хранения дырок к ближайшему из ряда электродов 7 прикладывается отрицательное напряжение около -10 В для создания потенциальной ямы в подложке 3. При подаче разрешающего им пульса напряжения на входной затвор 5 дырки от входного диода 13 проте-кают в потенциальную яму под электродом 7. Для обеспечения передачи дырок от электрода 7

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

Напряжение на электроде 7 снил ается до 1-2 В (пороговое напряжение), а после перетекания дырок на электроде8 - до - ЮВ (ааиряжение хранения).

В следующий такт времени напряжение на электроде 9 с величины порогового напряжения понижается до напряжения записи -20 В и дырии из-под электрода 8 перетекают под электрод 9 и т. д. Таким образом, для передачи заряда используется трехтактная система импульсов напряжения (Фь Фг, Фз)При отсутствии магнитного поля дырки движутся равномерно к последнему электроду, состоящему из трех частей /2„, 12, /2д и собираются в иотенциальных ямах под этими электродами в одинаковом ко-, личестве. Максимальное время, которое могут храниться дырки в потенциальных ямах

под электродами 12, /2,;, /2,,, определяется процессами термогенерации и может составлять величину порядка 1 с. Частота импульсов Фз, подаваемых на выходной затвор 6, меньше, чем частота импульсов Ф,;,

подаваемых на входной затвор 5. Вследствие этого происходит интегрирование переносимого заряда под электродам,и /2,,, 12/, /2,,

В моменты временн, когда отр1;цательное напряжение - 20 В подается на выходной затвор 6, заряды из потенциальных ям под электродами /2„, , 12 перетекают через обедненную область под выходным затвором и экстрагируются обратносмещенным.и выходными р диодами JS, /5j, ./5g выходных областей. Выходные напряжения снимаются с выходных электродов через резисторы 21, 22, 23 соответственно за время действия импульса напряжения на выходном затворе 6 и с резисторов 21, 22 подаются на дифференцирующий усилитель 19. Разиостный сигнал с дифференцирующего усилителя иоступает на регистрирующий элемент 20.

При движении регистра сдвига на приборах с зарядовой связью в неоднородном магнитном поле в зазоре магнитной системы с постоядной 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 Б подлож.ке 3 действует магнитная сила, которая отклоняет их, причем

тем больше, чем больше магнитная индукция в зазоре.

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

под электродами 72, I2-, 12. Направление и распределение магнитного поля в зазоре таковы, что большая часть дырок попадает под электрод 12, а меньшая часть - под электрод /2(j, По мере перемепдения регистра сдвига в зазоре все большая часть дырок, инжектированных входным диодом 13 в подложку 3, попадают в яму под электрод и все меньшая часть под электрод 12. Из-под этих электродов дырки при иодаче импульса напряи;ег:ия на выходной затвор 6 экстрагируются соответствуюшими р диодами выходных элементов: из-под электрода 12 -р+ диодом 15„, из-под электрода 12,-, - выходным р диодом /5 и т. д.

Выходной сигнал напряжения, снимаемый с резистора 21, больше, чем снимаемый с резистора 22. сигнала подаются на дифференцирующий ус 1литель 19, и с него разностный сигнал поступает на регистрируЮШ.1ИЙ 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 безынерционным.

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 релистр сдвига на ПЗС работает в импульсном режиме и яри передаче заряда от входного диода к выходным затрачивается малая мощность в несколько мкВт.

Датчик малых перемещений с регистром сдвига на ПЗС в качестве подвижного элемента обладает повыщенной чувствительностью, так как переносимые заряды могут накапливаться под электродами 12, 12, 12 до считывания после периода интегрирования, который определяется частотой импульсов 05, подаваемых на выходной затвор 6.

10

о р м у л а и 3 о о р е т е и и я

Датчик малых перемещений, содержащий регистрируЕОЩий элемент и магнитную систему, в зазоре которой размещен подважный гальваномагнитный элемент, о т л пчающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и уменьшения потребляемой мощности датчика, в него введены источник тактовых импульсов, источник питания, дифференциальный усилитель и резисторы, а подвижный гальваномагнитный элемент выполнен в виде регистра сдвига, на приборах с зарядовой связью, на пол}прОБОДНикавой подложке которых, покрытой диэлектрическим слоем, расположены входной и выходной затворы, между которыми размещены электроды переноса заряда, в полупроводниковой подложке перед входным затвором размещен входной диод,

а после выходного затвора - выходные диоды, электроды переноса заряда подключены к источнику тактовых импульсов, входной диод соединен с источником питания, выходные диоды соединены через резисторы

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

Источники информации, принятые BQ внимание при экспертизе:

2.Котенко Г. И. и др. Гальваномагнитный микрометр. «Приборы и системы управления, № 7, 196/ (прототип). rn fi rr П 1П ЗП- ,. .1 .,..,, .„ , - j riTi ,:, 1