Полупроводниковый датчик широховатости поверхности

сггг СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 В 7 34 ОБ ЕН оврадиотехники .8) ратура и поверх- ПрофилоМТипы,330996, рототип 1 Й ДАТЧ тей содержа- плошной ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ СПИ САНИ Н АВТОРСКОМУ(56) 1. ГОСТ 19300-73 Апдля измерения шероховатоности профильным методомметры. Контактные системОсновные параметры.2. Заявка Франции И 2кл. С 01 В 7/34, 1977 (и(54)(57) ПОЛУПРОВОДНИКОВШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТщий размещенные послойно электрод, эластичный чувствительный элемент и расположенные в матричномПорядке измерительные электроды, и соединенную с электродами систему опроса, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности, эластичный чувствительный элемент выполнен из пьезо" электрика, система опроса выполнена в виде матрицы приборов с зарядовой связью(ПЗС), примыкающей лицевой поверхностью к поверхности пьезоэлектрика, электроды истоковых облас"ПЗС выведены на лицевую поверхность матрицы и выполняют функции измерительных электродов датчика, асплошной электрод заземпен.30 35 40 45 50 55 1 ., 1Изобретение относится к измерит.тельной технике и применяется длянеразрушающего контроля шероховатости поверхности материалов и изделийв приборостроении и различных отраслях машиностроения,ФИзвестны устройства, основанныена контактных способах измеренияпараметров микрорельефа поверхности.Чувствительный элемент этих устройстпредставляет собой механическийзонд (алмазную иглу .скользящий поповерхности, который через рычажныймеханизм передает информацию омикрорельефе в преобразующий элемент(индуктивный, пьезоэлектрический,электродинамический), где вырабатываются электрические сигналы, соответствующие вертикальным перемещением зонда 13.Недостатками таких устройств;являются ограниченная способность.регистрации в виде профилограммылишь информации вдоль трассы перемещения зонда, повышенные конструктивно-технологические требования к алмазной игле и рычажному механизмупрочность, юстировка мест сопряжения деталей, что удорожает производство таких устройств. Кроме того, на этапах передачи информацииот чувствительного элемента черезпреобразующий элемент в измерительную схему возникают различного родаискажения,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 системуеопроса, 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 этого слоя при воздействии на него 1110243 неровностей микрорельефа контролиру емой поверхности Г 23,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 заземленНа 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(ПЗС 1 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 такжеистоковую область 5, отделеннуюканалом 6 от стоковой области 7,которые сформированы в подложке 8.Затвор 9 отделен от канала 6 и области 7 слоем диэлектрика 10. КаждыйПЗС матрицы отделен от смежногоприбора областями 11, представляющими собой стоп-каналы для предотвращения растекания зарядового рельефа.Благодаря высокому продольномусопротивлению пьезоэлектрика (10 Ом м)Явзаимная изоляция отдельных ячеекдатчика на уровне пьезоэлектрика отсутствует,Для вывода информации из каждойпотенциальной ямы, связанной собластями 7 матрицы ПЗС, предусмотрены шины 12 подачи тактовых импульсов поперечных ПЗС-регистров 13,шина 14 передачи заряда в продольныйПЗС-регистрр 15 и шины 16 подачи тактовых импульсов продольного ПЗСрегистра 15, выход 17 которого представляет собой выход датчика, ккоторому может быть подключен инди/катор(не показан любого типа вольтметр, осциллограф и др.1При измерениях шероховатостиповерхности контролируемого обЪекта18 датчик накладывается на нее по-.верхностью сплошного электрода 1,который при этом заземляется.Полупроводниковый датчик шероховатости поверхности работает следующим образом.В зависимости от напряжения Ънаизмерительных электродах 3 истоковыхобластей 5, создаваемого пьезопотенциалом в данной области с апертурой.,равной площади электрода 3, при одинаковых(для всех ПЗС матрицы 1 значениях тактового напряжения Ч на затворах 9 изменяется напряжение затвористок, регулирующее величину зарядаЙ, передаваемого в стоковую область7(фиг. 3), которая в поперечномнаправлении 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 1, Серии тактовых импульсов пере дачи заряда по поперечному ПЗСрегистру 13 предшествует импульсотпирания канальных транзисторныхструктур матрицы ПЗС. Сотношение 5 амплитуд тактовых импульсов и отпирающего импульса выбрано таким,чтобы .тактовые импульсы не отпиралитранзисторные ячейки матрицы. Такимобразом, каждая ячейка датчика вы- О дает электрический импульсный сигналсоответствующий среднему значениювысоты микронеровностей на исследуемом участке пав .рхности объекта 18,Передаточная характеристика дат чика в интервале от 3 до 10 мкмпри выбранной толщине слоя пластичного пьезоэлектрика(10 мкм 1 имеетлинейный участок, а чувствительностьего практически постоянна.20 Для микронеровностей, меньших 3мкм, характеристика становитсяболее пологой, так как пьезопотенциал в ячейке датчика образуетсясовокупным воздействием нескольких 25 пиков микронеровностей; для микронеровностей, .больших 1 О мкм, характеристика также становится болеепологой, так как при этом на пьезоэлектрик воздействует только часть ЗО пика микронеравности.Для повышения чувствительностидатчика площадь электродов 3 истоковых областей 5 матрицы ПЭС выполняется, примерно, равной площади одного ПЗС, благодаря чему обеспечивается увеличение измеряемого пьезопотенциала за счет увеличения площади"опроса" пьезоэлектрика.Последовательность импульсов, образующихся на выходе 17 полупроводникового датчика шероховатости,подается на индикатор: вольтметр,экран осциллографа.или ЭВМ Калибровка индикатора производится поэталонным поверхностям.Благодаря тому, что высота микронеровностей шероховатой поверхностихарактеризуется цифро-аналоговымсигналом, .привязанным к определеннойкоординате контролируемой поверх О ности, обеспечивается двумернаяидентификация параметров шероховатости этой поверхности.Разрешающая способность датчикаопределяется разрядностью матрицыЭффективность работы полупроводникового датчика шероховатости поверхности существенно зависит от1111024 12 точности изготовления его составных частей. Матрица ПЗС изготавливается по известной технологии. Сначала предварительно растянутая и поляризованная пленка поливинилиденфторида 5 накладывается на пластину кремния с матрицей ПЗС и подвергается пластической деформации с целью создания лицевой поверхности с минимальной шероховатостью. Для этого поверх ность пьеэоэлектрика приводится в соприкосновение с нагретой эталонной безадгезионной поверхностью, например, из фторопласта, На полученную таким путем гладкую поверх .ность пластичного пьезозлектрика наносится напылением в вакууме слой металла, например алюминия, толщиной 10-50 нм, который служит общим электродом для образующегося потенциаль ного рельефа.При соблюдении указанных технических требований при изготовлении датчика можно обеспечить с егопомощью регистрацию микронеровностей р со значением шероховатостиот О,025 до 50 мкм. Рабочее поле датчика определяется площадью кристаллаиспользуемого для матрицы ПЗС, и составляет 30-70 мм. Датчик можетиспользоваться для контроля шероховатости не только плоских поверхностей. Если с любой по кривизнеповерхности изготовить слепок, например, на целлулоидной пленке, то потакому промежуточному носителю информации можно проконтролироватьшероховатость поверхности практически любой формы с высокой разрешающейспособностью, Кроме того, датчикможет быть размещен в труднодоступных местах благодаря его миниатюрнымразмерам,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,6296/3 Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектна йФОЮчдсигналРЮ) НИИПИ Го по дел 13035, Мираж 586 Подписноударственного комитета СССРм изобретений и открытийсква, Ж, Раушская наб.,д. русака юЩ- нерсднОсщо 1 щоЮ