Преобразователь перемещения и скорости объекта в дискретный электрический сигнал

(23) Приоритет О 08 С 9/046,.01 0 5/249 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытийОпубликовано 15,12,82. Бюллетень Йо 46 Дата опубликования описания 15.12.82(71 ) Заявитель Уфимский авиационный институт им. Орджоникидзе,(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И СКОРОСТИ ОБЪЕКТА В цИСКРЕТН И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ 1Изобретение относится к системам автоматического контроля и преобразования параметров движения в электрический сигнал, а именно к преобразователям перемещения и скбрости объекта в дискретный электрический сигнал.Известен преобразователь перемещения объекта, содержащий металл - ди- . электрик - полупроводниковую структуру, выполненную в виде полупроводниковой подложки со сформированными в ней областями .истока и стока, а также подвижного затвора, отделенного от подложки слоем жидкого диэлектрика, связанного с контролируемым объектом и с источником сигналов управления. Затвор выполнен в виде нескольких жестко соединенных между собой электродов переноса заряда, а источник сигналов управления выполнен импульсным с несколькими выходами, соединенными с соответствующими электродами затвора. Количество электродов каждой фазыодинаково1.Недостатком этого устройства является его неспособность измерять скорость перемещения объекта, а также ограниченный диапазон измеряемых перемещений. Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь перемещения и скорости объекта в дискретный электрический сигнал, содержащий полупроводниковую подложку, покрытую слоем диэлектрика, в которомрасположена неподвижная решеткаэлектродов переноса заряда с выходными входным затворами, подключеннымик источникам импульсного питания,исток с бмическим контактом, подключенный через первый резистор кодному источнику питания, сток сомическим контактом, подключенный косциллографу и через второй резисторк другому источнику питания и подвижную равномерную решетку электродов переноса заряда, связанную собъектом и расположенную поверх неподвижной решетки и подключенную кодной фазе многофазнрго иьачульсногоисточника питания, к другим фазамкоторого подключены электроды неподвижной решетк 1 и, количество электродов подвижной решетки превышаетколичество электродов неподвижнойрешетки 2.Недостатком данного преобразователя является малая разрешающая ЗО способность, определяемая длинойячейки переноса заряда (для трех. фазного преобразователя " 3 мкМ), и невозможность определения направления перемещения контролируемого объекта, а следовательйо, ограниченные функциональные воэможности. 5Цель изобретения - повышение разрешающей способности и расширение функциональных возможностей преобразователя эа счет возможности определения направления перемещения 10 контролируемого объекта.Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий полупроводниковую подлож ку со слоем диэлектрика, в котором расположена основная неподвижная решетка электродов переноса заряда с входным и выходным затворами, подключенными соответственно к первому и второму источникам импульсного питания, исток с омическим контактом, подключенным через первый резистор к первому источнику питания постоянного тока, сток с омическим контактом, подключенным к одному входу многоканального индикатора и через второй резистор - к второму источнику постоянного тока,и подвижную решетку электродов переноса заряда,связанную с подвижным объектом и подключенную к одной фазе многофазного импульсного источника пи,тания, к другим фазам которого подключены электроды основной неподвижной решетки, введены (К) дополни тельных неподвижных решеток электродов переноса заряда (К = 3,4,5), (К-"1) входных и выходных затворов, истоков, стоков и ( К) дополнительных резисторов, дополнительные не О подвижные решетки электродов переноса заряда расположены в слое диэлектрика на подложке параллельно основной неподвижной решетке и смещены относительно друг друга на Расстояние, равное Ь/К, где Ь- расстояние между одноименными боковыми гранями ближайших электродов неподвижной решетки, подключенных к одинаковой Фазе Иногофазного импульсного источника питания, перед каждой дополнительной неподвижной решеткой электродов переноса заряда размещены входные затвор и исток, после нее - выходной затвор и сток, электроды дополнительных неподвижных решеток подключены к соответствующим фазам многофазного импульсного источника питания, входные и выходные затворы подключены соответственно к первому и второму источникам 60 импульсного питания истоки через первый резистор соединены с первым источником постоянного тока, стоки соединены с остальными входами многоканального индикатора и через со ответствующие дополнительные резисторы с вторым источником питания постоянного тока.На фиг, 1 приведено схематичное изображение преобразователя; на фиг. 2 - расположение решетокна/ фиг, 3 - диаграмма выходных сигналов преобразователя.Предлагаемый преобразователь содержит полупроводниковую подложку 1 с,проводимостью п-типа,.покрытую слоем диэлектрика 2, в котором находятся поликремниевые электроды З,и 4 переноса заряда равных количеств, входные и выходные затворы 5 и б, истоки 7 с омическими контактами 8, стоки 9 с омическими контактами 10, подвижную решетку 11 с электродами 12 переноса заряда, первый резистор 13 и первый источник 14 постоянного тока, многоканальный индикатор 15, второй резистор 16, дополнительные резисторы 17 и 18, второй источник 19 постоянного тока,. многофазный импульсный источник 20 питания, первый и второй источники 21 и 22 импульсного питания. Кроме того, на фиг. 1 показан слой 23 жидкого глицерина на Фиг. 2 в . изолирующие области 24 и неподвижные решетки 25.Неподвижные решетки 25 расположены параллельно друг другу и сдвинуты по входу и выходу на одинаковое расстояние, равное Ь"Ь, где Ьф - расстояние между одноименными боковы - ми гранями ближайших электродов переноса заряда неподвижных решеток, а К - общее количество неподвижных решеток ( для преобразователя, покаэанного на фиг. 1.и 2, К=З),Расстояние Ьф выбирается из соотношения Ь = ЗЬ + Р, где Ь в . длина электродов переноса заряда 3 и 4 и максимальное расстояние; 1 - минимальное расстояние между ними, при этом расстояния Ь и 0 между электродами чередуются. Перед электродами 3 и 4 (Фиг. 1) каждой решетки 25 (фиг. 2) в слое диэлектрика 2 расположены входные затворы 5, а после электродов - выходные затворы б. Перед входными затворами 5 в полупроводниковой подложке 1 расположены входные диффузионные обмотки р-типа проводимости истоки 7 с омическими контактами 8, а после выходных затворов 6 - выходные диффузионные области р-типа проводимости - стоки 9 с омическими контактами 10, Между решетками 25 в подложке 1 по всей длине последовательностей электродов расположены изолирующие области 24 (фиг. 2) и-типа проводимости. Поверх решеток 25 расположена подвижная решетка 11фиг. 1), представляющая собой последовательность прямоугольных электродов 12 переноса заряда из алюминия, расположенных на гетинаксовой пластине параллельно друг другу и на одинаковом расстоянии шаге) друг от друга, которое равно 2 Ь + Г), ширина электродов 12 равна 3 ю + 2 й), где ы - ширина электродов 3 и 4, а й - расстояние между решетками 25. Количество электродов 12 решетки 10 превышает количество электродов 3 или 4 одной решетки 25 по. крайней мере на единицу. Решетка 11 выполнена с воэможностью перемещения вдоль последовательности электродов 3 и 4 15 по -слою 23 жидкого глицерина, нанесенного на .поверхность диэлектрика 2, и связана с движущимся объек- том, перемещениеи скорость которого контролируются не показан),при 20 этом электроды 12 остаются всегда параллельны электродам 3 и 4.Истоки 7 через контакты 8 и через резистор 13 подключены к положительному полюсу источника 14.Стоки 9 через контакты 10 подключены к .соответствующим каналам трехканального индикатора 15 например, шлейфового осциллографа) и соответственно через резисторы 16, 17 и 18 к отрицательному полюсу источника 19, электроды 3, 4 и 12 переноса заряда подключены к многофазному импульсному источнику 20 питания, причем электроды 3 - к первой фазе Ф, электроды 4 - к третьей фазе ф, а электроды 12 ко второй фазе Ф (источник трехфазный). Затвор 5 подключен к источнйку 21 импульсного питания, затвор 6 -к источнику 22 импульсного питания. 40Для удобства подключения к источникам питания электроды 3 и 4 и затворы 5 и 6 выполнены сплошными (непрерывными) шинами на все три неподвижные решетки 25. 45 1Преобразователь работает следующим образом.При движении решетки 11 слева направо по слою жидкого диэлектрика 23 электроды 12 решетки 11 периодически занимают среднее положение между электродами 3 и 4 сначала верхней решетки 25, затем средней решетки 25 и далее нижней решетки 25. При этом под действием импульсных потенциалов Ф 4, Ф 1, ФЪ возникает под всеми электродамй в полупроводниковой подложке 1 последовательность потенциальныхям или обедненных областей, через которые под действием источников 14 60 и 19 и импульсных потенциалов,ф 4 и Ф передаются от истока 7 к стоку 9 пакеты зарядов, Для того, чтобы потенциальные ямы под подвижными электродами 12 были одинаковыми по глуби не с потенциальнымиямами под неподвижными электродами 3 и 4, потенциалФ по абсолютной величине долженбыть больше потенциалов Ф и Фтаккак толщина диэлектрика под электродами 12 больше толщины диэлектрикапод электродами 3 и 4. Области 24в подложке 1 препятствуют перетеканию заряда между электродами разныхрешеток 25. После передачи зарядак стоку 9 верхней решетки 25 на резисторе 16 появляется пачка импульсов,которые регистрируются первым каналом индикатора 15При дальнейшемдвижении решетки 11 электроды 12смещаются от среднего положения между электродами 3 и 4 верхней решетки25, и в полупроводнике под ними об.разуются ямы, ширина которых уменьшается по сравнению с потенциальнымиямами под электродами 3 и 4, так какэлектроды 3 и 4 экранируют воздействие электродов 12 на подложку 1. Эрезультате возникает потенциальныйбарьермежду ямами под электродамй3 и 12, препятствующий протеканиюзаряда из одной ямы в другую, и нарезисторе 16 не появляются импульсынапряжения. При дальнейшем движениирешетки 11 электроды 12 занимаютсреднее положение между электродами3 и 4 средней решетки 25 и на выходепреобразователя на резисторе появляется пачка импульсов, регистрируемая вторым каналом индикатора 15При дальнейшем движении решетки 11электроды 12 занимают среднее положение между электродами 3 и 4нижней решетки 25 и на резисторе18 появляется пачка импульсов,регистрируемая третьим каналом индикатора 15. Затем электроды 12 занимают среднее положение между электродами 3 и 4 верхней решетки 25,первый канал индикатора 15 регистрирует пачку импульсов с резисторе 16и т.д. цикл повторяется снова.Таким образом; при движении решетки 11 пачки импульсов, возникающиена резисторах 16, 17 и 18, регистрируемые индикатором 15, оказываютсясдвинутыми во времени и в пространстве (например, на фоточувствительнойленте шлейфового осциллографа). Приэтом величина сдвига пачек импульсовобратно пропорциональна скоростиперемещения решетки 11, т.е. Ч= 3/,где 1 - временный сдвиг между пачками импульсов с резисторов 16 и 17,или 17 и 18, или 18 и 16; 5 - расстояние, пройденное решеткой 11 между временем окончания и временемпоявления на индикаторе 15 соседнихпачек импульсов. Регистрируя число пачек импульсов с резисторов 16, 17 и 18 по индикатору 15, определяем перемещениеХ решетки 11 или контролируемого объекта(й - 1) Я,где И - число пачек импульсов с резисторов 16, 17 и 18.Н Я = =Ь+-03 3тогда разрешающая способность преобразователя или минимальное перемещение составит 10ХМ = 2 Ц(Ь + ЗВЬПри движении решетки 11 слеванаправо пачки импульсов возникаютво времени и регистрируются каналами индикатора 15 в последовательности пачка с резистора 18, пачка срезистора 17, пачка с резистора 16,пачка с резистора 18,и т,д. (Фиг. Заа при движении решетки 11 справа 20налево пачки импульсов возникают ирегистрируются в последовательности: пачка с резистора 16, пачка срезистора 17, пачка с резистора 18,пачка с резистора 16 и т.д. фиг. Зб). 25Такйм образом, по порядку следования пачек импульсов предлагаемогопреобразователя определяется направление перемещения контролируемогообъекта, что позволяет применить его 30в системах управления перемещениемобъектов.Кроме того, в преобразователеприменено три неподвижных решетки25, что позволяет получить разрешаю- З 5щую способность по перемещению, равную приблизительно длине электрода,образователя выбирается из условияЬКХМингде параметр Х ц определяется из требований к преобразователям и допустимых воэможностей технологии изготовления неподвижных решеток 25Современная технология изготовления интегральных схем, основанная на электронно-и рентгенолитографии, имеет разрешующую способность 0,1 мкм, что позволяет расположить неподвижные решетки 25 со сдвигом относительно друг друга по входу и выходу равным ,0,1 мкм и получить разрешающую способность преобразователя по перемещению, равную Х мин = О, 1 мкм, при этом число неподвижных решеток 25 Ь = 0,5 мкм и 8= 0,1 мкм) составит К = 16.Число неподвижных решеток К долж но быть больше 2, так как при Кневозможно определить направление перемещения объекта по порядку следования пачек импульса с двух каналов; 65 Преобразователь можно выполнить двухфазным или четырехфаэным, Так как время передачи пакетов заряда в подложке 1 от истока к стоку 9 мало по сравнению с временем механического перемещения электродов подвижной решетки 11, то предложенный преобразователь является безынерционным,Формула изобретенияПреобразователь перемещения и скорости объекта в дискретный электрический сигнал, содержащий полупроводниковую подложку со слоем диэлектрика,.в котором расположена основная неподвижная решетка электродов переноса заряда с входным и выходным затворами, подключенными к первому и второму источнику импульсного питания, исток с омическим контактом, подключенным через первый резистор к первому источнику питания постоянного тока, сток с омическим контактом, подключенным к одному входу многоканального индикатора и через второй резистор - к второму источнику постоянного тока, и подвижную решетку электродов переноса заряда, связанную с подвижным объектом и подключенную к одной Фазе многофаэного импульсного источника питания,к другим фазам которого подключены электроды основной неподвижной решетки,о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности и расширения Функциональных возможностей преобразователя путем определения направления перемещения,в него введеныК " 1) дополнительных неподвижных решеток электродов переноса заряда ( К = 3, 4, 5),Ку входных и выходных затворов, истоков, стоков и ( К) дополнительных резисторов, дополнительные неподвижные решетки электродов переноса заряда расположены в слое диэ лектрика на подложке параллельно основной неподвижной решетке и смещены относительно друг друга на расстояние, равное Ь/К, где Ь - расМ стояние между одноименными боковыми гранями ближайших электродов неподвижной решетки, подключенных к одинаковой Фазе многофазного импульсного источника питания, перед каждой дополнительной неподвижной решеткой электродов переноса заряда размещены входные затвор и исток, после нее - выходной затвор и исток, электроды дополнительных неподвижных, решеток подключены к соответствующим фазам,многофазного импульсного источника питания, входные и выходные982047 10 Фиг, у ф затворы подключены соответственно к первому и второму источникам импульсного питания, истоки через первый резистор соединены с первым источником постоянного тока, стоки соединены с остальными входами многоканального индикатора и через соответствуюцие дополнительные резисторы с вторым источником питания постоянного тока. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРМ 6937 б 1, кл. 6 08 С 9/04,1977. 2. Авторское свидетельство СССРйо заявке 9 2873941/18-24,кл, 6 01 0 5/249, 1980прототипЯ.982047 а Составитель И. Техред А. Бабине аркина КоррекОга едактор М. Пет аказ 9717/7 Тираж б 42 ПодписИИПИ Государственного комитета СССпо делам изобретений и открытий5, Москва, Ж, Раушская наб д 4/ 113 ППП"Патент", г. Ужгород, ул. Проектна Фил