Датчик малых перемещений

8 С(.ощмф те тз теда,тбзицг сдд л ОПИСАНИЕ ИЗОБР ЕТЕ Н И Я(1(682763 Союз Советских Социалистических Республикчлетень М 32 681 З 25 (088,8) по делам изобретении и открытий.ако 71) Заявитель Уфимский авиа нный институт им. Орджоникид(54) ДАТ Ч И К Л 1 АД ЕРЕМЕЩЕН И Изобретение относитсяно-измерительной техникможет быть использованоматического управленияизмерения перемещений вмалых перемещений.Известен преобразоватремещений в напряжениеэлектрических катушек сдечникгми и подвижныхтов. к инсрорма и автомат в системах для контр качестве да цио ке и автоля и чика ель личепнь 1), состояш железнымимагнитных х пе(й из шунпреобразователей ебляемая мощность, тактов и малая точность.Наибол малых пе стрирующ в зазоре гальваном нитный э,( Холла. зобретению датчик содержащий реги- магнитную систему, (ещен подвижный ент. 1 альва номагн в виде датчика ее близок,к и емещений 2, й элемент и которой раз агнитный элем емент выполи К статкам галываномагнитного микотносятся большая потребляемая 25 и малая чувствительность по перометра мощност ремещенЦель ствитель и снижен ю,изобретения - повышение чувости датчика малых перемещений ие потребляемой мощности. Недостатками этих являются большая потр наличие подвижных к(он Поставленная цел: достигается тем, чтов датчик введены и:точник тактовых импульсов, источник питания, дифференциальный усилитель и резисторы, а подвижный 5 гальваномагнитный э.-.емснт выполнен э виде регистра сдвига на приборах с зарядовой связью, на полупроводниковой( подложке которых, покрытой диэлектрическим слоем, расположены входной и выходной затворы, 0 между которымн размещены электроды переноса заряда. В полупроводниковой подложке перед входным затвором находится входной диод, а после выходного затвора -- выходные диоды. Эл-;ктроды переноса за ряда подключены к источнику тактовых импульсов, входной диод соединен с источником питания, а выходные диоды через резисторы - с источником питания и непосредственно с входа м и диффсренцирующего 0 усилителя, выход которого подкл(очен к регистрирующему элементу.На фиг. 1 изображен датчик малых перемещений, на фиг. 2 - разрез А - А на фиг. 1, Датчик состоит из магнитной системы 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 З 0 фиг, 4 - разрез Б - Б на фиг. 3.Магнитная система состоит пз постоянных магнитов 1,и магнитопроводов 2, соединяющих эти мапниты и образующих четырехполюсную систему с неоднородным магнитным пролом ь зазоре, В зазоре м агнитной системы размещен регистр сдвига на приборах с зарядовой связью, выполненный на полупроводниковой лод.гожкс 3 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 трл части; 12, 12, 12, выполненные отдельно друг от друга. В подложке д перед входным затвором размещен входной р+ диод 13 с омичеоким контактом 14. После выходного затвора б в подложке 3 расположены выходные рч диоды 15, 5;15,с омическими,контактами 1616, 16 Число выходных устчойств равно числ, частей последнего электрода переноса заояда. При необходимости число выходных у"тройств и число частей последнего электрода переноса заряда можно увеличить для достижения необходимой точности,Выходные устройства отделень. друг от друга и расположены поперек канала в подложке 3, по которому проходят неосновные носители заряда при приложении тактовых импульсов напряжения 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 - 5, своими контактами подключены к источнику 17 литания (Еь Еь Ез) через резисторы, входной диод 13 подключен также к источнику 7 питания (Е 4) Электроды 7 - 12 переноса заряда, входной затвор 5 и выходной затвор б подсоединены к источнику 18 тактовых импульсов (соответственно клеммы Ф - Фз, Ф 4 и Ф 5). Выходные диоды 15 подключены также через диффзренцлрующий усилитель 19 к регистрирующему элементу 20.Датчик малых перемещений работает следующим образом.Входной диод 3 при лропускании тока создает однородное распределение неосновных носителей заряда дырок в подложке 3. Для обеспечения хранения дырок к ближайшему из ряда электродов 7 прикладывается отрицательное напрякение около в ,10 В для создания потенциальной ямы в лодлоике 3. При подаче разрешающего импульса напряжения на входной затвор 5 дырки от входного диода Я протекают в потенциальную яму под электродом 7. Для обеспечения передачи дырок от электрода 7 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 записи - 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 ко-. личестве. Максимальное время, которое могут вкрапиться дырки в потенциальных ямах под электродами 12, 12-, 2 определяется процессами термогенерации и может составлять величину порядка 1 с. Частота импульсов Ф 5, подаваемых на выходной затвор 6, меньше, чем частота импульсов Ф, подаваемых на входной затвор 5. Вс. едствие этого происходит интегрирование переносимого заряда под электродами 12 12, гВ 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, 23 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 д действует магнитная сила, которая отклоняет их, причем тем больше, чем больше магнитная индукция в зазоре.При движенип в подложке вдоль ряда электродов переноса неосновные носители заряда (дырки) отклоняются магнитным полем и собираются в потенциальных ямахпод электродами 12, 12-, 12,. Направление и распределение магнитного поля в зазоре таковы, что большая часть дырок попадает под электрод 12, а меньшая часть - под электрод 12,-. По мере перемещения регистра сдвига в зазоре все большая часть ды. рок, инжектированных входным диодом 13 в подложку 8, попадают в яму под электрод У 2 и все меньшая часть под электрод 12;, Из-под этих электродоз дырки при подаче импульса напряи;ения на выходной затвор б экстрагируются соответствующими Р+ диодами выходных элемечтов: из-под электрода 12 - р+ диодом 15 пз-под электрода 12- - выходным р -диодом 15; и т. д.Выходной сигнал напряжения, снимаемый с резистора 21, больше, чем снимаемый с резистора 22. Орла сигнала подаются на дифференцирующпй усилитель 19, и с него разностный сигнал поступает на регистрнрующий 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 регистр сдвига на ПЗС работает в импульсном режиме и при передаче заряда от входного диода к выходным затрачивается малая моцность в несколько пкВт,Датчик малых перемещений с регистромсдвига на ПЗС в качестве подвижного элемента обладает повышенной чувствительностью, так как переносимые заряды могут 5 накапливаться под электролами 12, У 26, У 2,до считывания после периода интегрирования, который определяется частотой импульсов Ф 5, подаваемых на выходной затвор 6.Формула изобретенияДатчик малых перемещений, содержащий регистрирующий элемент п магнитную систему, в зазоре которой размещен под впжный гальваномагнитный элемент, о т л пч а ю щ и й с я 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 гальваномагнптный элемент вь полнен в виде регистра сдвига, на приборах с зарядовой связью, на полупроводниковой подложке которых, покры той диэлектрическим слоем, расположенывходной и выходной затворы, между которыми размещены электроды переноса заряда, в полупроводниковой подложке перед входным затвором размещен входной диод, 30 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 35 с источником питания и непосредственно свходами дифференцирующего усилителя, выход которого подключен к регистрирующему элементу.40 Истоцникп информации, принятые вовнимание при экспертизе:1. Авторское свидетельство СССР Ьго 458009 6 08 С 9(04 1973452. Котенко Г, И. и др. Гальваномагнптный микрометр, Лриборы и системы управления, 5 о 7, 1967 (прототип).Харьк. фил. пред. Патент аказ 855/07 НПО Попс Изд. М 545 осударственного комит 113035, Москва, Ж Тираж 865 Г 1 одписносСССР по делам изобретений и открытийРаушская наб., д. 4/5