SU1111024A1 - Полупроводниковый датчик широховатости поверхности - Google Patents

Abstract

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ, содержащий размещенные послойно сплошной электрод, эластичный чувствительный элемент и расположенные в матричном пор дке измерительные электроды, и соединенную с электродами систему опроса, о тли чающийс  тем, что, с целью повышени  разрешающей способности, эластичный чувствительный элемент вьтолнен из пьезо- электрика, система otipoca выполнена в виде матрицы приборов с зар довой св зью (ПЗС), примыкающей лицевой поверхностью к поверхности пьезоэлектрика , электроды истоковых областей ПЗС выведены на лицевую поверхность матрицы и выполн ют функции измерительных электродов датчика, а сплошной электрод заземлен.

Description

Изобретение относитс  к измерит, тельной технике и примен етс  дл  неразрушающего контрол  шероховатости поверхности материалов и изделий в приборостроении и различных отрасл х машиностроени . Известны устройства, основанные на контактных способах измерени  параметров микрорельефа поверхности Чувствительный элемент этих устройс представл ет собой механический зонд (алмазную иглу скольз щий по поверхности, который через рычажный механизм передает информацию о микрорельефе в преобразующий элемен ( индуктивный, пьезоэлектрический, электродинамический), где вырабатываютс  электрические сигналы, соответствующие вертикальным перемещени ем зонда Ll1. Недостатками таких устройств,  вл ютс  ограниченна  способность регистрации в виде профилограммы лишь информации вдоль трассы переме щени  зонда, повышенные конструктив но-технологические требовани  к алмазной игле и рычажному механизму (прочность, юстировка мест сопр жени  деталей), что удорожает производство таких устройств. Кроме того , на этапах передачи информации от чувствительного элемента через преобразующий элемент в измерительную схему возникают различного рода искажени . Наиболее близким к изобретению  вл етс  полупроводниковый датчик шероховатости поверхности, содержащий размещенные послойно сплошной электрод, эластичный чувствительный элемент, расположенные в матрич ном пор дке измерительные электроды и соединенную с электродами систему опроса, выполненную из стандартных блоков на полупроводниковых элементах и позвол ющую регистрировать информацию двумерного характера о микрорельефе контролируемой поверхности , а также непосредственно визу ализировать ее на экране осциллографа . Работа этого датчика основан на локальных изменени х электрического сопротивлени  эластичного сло  выполненного на основе кремни  с добавлением порошкообразного металла и тонкой пудры из активного угл  в зонах размещени  измерительных электродов , которые вызваны деформаци ми этого сло  при воздействии на него 42 неровностей микрорельефа контролиру емой поверхности С23, Недостатком известного датчика  вл етс  ограниченна  разрешающа  способность, обусловленна  конечными размерами цилиндрических измерительных электродов и сложностью их размещени  в матричном пор дке при обеспечении контакта с эластичным слоем. Цель изобретени  - повышение разрешающей способности датчика. Цель достигаетс  тем, что в полупроводниковом датчике шероховатости поверхности, содержащем размещенные послойно сплошной электрод, эластичный чувствительный элемент и расположенные в матричном пор дке измерительные электроды, и соединенную с электродами систему опроса, эластичный чувствительньш элемент выполнен из пьезоэлектрика, система опроса выполнена в виде матрицы приборов с зар довой св зью(ПЗС), примыкающей лицевой поверхностью к поверхности пьезоэлектрика, электроды истоковых областей ПЗС выведены на лицевую поверхность матрицы и выполн ют функции измерительных электродов , а сплошной электрод заземлен sНа фиг,I схематично показано поперечное сечение датчика в области одной из  чеек матрицы ПЗС; на фиг. 2 - фрагмент системы опроса, план; на фиг. 3 - эквивалентна  электрическа  схема одной из  чеек датчика; на фиг. 4 - передаточна  характеристика датчика. Полупроводниковый датчик шероховатости поверхности содержит размещенные-послойно сплошной электрод 1, который может быть выполнен, например , из алюмини  толщиной 10-50 нм, слой 2 пластичного пьезоэлектрика, например поливинилиденфторида толщиной 5-30 мкм, и измерительные электроды 3, представл ющие собой выведенные на лицевую поверхность матрицы приборов с .зар довой св зью (ПЗС) электроды истоковых областей, которые могут быть выполнены, например, из поликремни . Матрица ПЗС прижата этой поверхностью к поверхности пластичного пьезоэлектрика. Каждый прибор с зар довой св зью этой матрицы представл ет собой транзисторную структуру, котора  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 област ми 11, представл ющими собой стоп-каналы дл  предотвращени  растекани  зар дового рельефа.

Благодар  высокому продольному сопротивлению пьезоэлектрика (Ю Омвзаимна  изол ци  отдельных  чеек датчика на уровне пьезоэлектрика отсутствует .

Дл  вывода информации из каждой потенциальной  мы, св занной с област ми 7 матрицы ПЗС, предусмотрены шины 12 подачи тактовых импульсов поперечных ПЗС-регистров 13, шина 14 передачи зар да в продольньй ПЗС-регист 15 и шины 16 подачи тактовых импульсов продольного ПЗСрегистра 15, выход 17 которого представл ет собой выход датчика, к которому может быть подключен индикатор (не показан )любого типа (вольтметр , осциллограф и др.) .

При измерени х шероховатости поверхности контролируемого обЬекта 18 датчик накладываетс  на нее по-, верхностью сплошного электрода 1, который при этом заземл етс .

Полупроводниковый датчик шероховатости поверхности работает следуюш ,им образом.

В зависимости от напр жени  Vg на измерительных электродах 3 истоковых областей 5, создаваемого пьезопотенциалом в данной области с апертурой. равной площади электрода 3, при одинаковых (дл  всех ПЗС матрицы)значени х тактового напр жени  Vcj на затворах 9 измен етс  напр жение затвор-исток , регулирующее величину зар да О., передаваемого в стоковую область 7(фиг. 3), котора  в поперечном направлении  вл етс  одной из областей поперечного ПЗС-регистра 13.

Подача тактовых импульсов на затворы 9 ПЗС-регистров синхронизована с прижатием датчика к исследуемой поверхности объекта 18, благодар  чему потенциальный рвогьеф преобразуетс  в зар довый 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 зар да по поперечному ПЗСрегистру 13 предшествует импульс отпирани  канальных транзисторных структур .матрицы ПЗС. Сотношение амплитуд тактовых импульсов и отпирающего импульса выбрано таким, чтобы .тактовые импульсы не отпирали транзисторные  чейки матрицы. Таким образом, кажда   чейка датчика выдает электрический импульсный сигнаш соответствующий среднему значению высоты микронеровностей на исследуемом участке поверхности объекта 18.

Передаточна  характеристика датчика в интервале от 3 до 10 мкм

5 при выбранной толщине сло  пластцчного пьезоэлектрика (10 мкм имеет линейный участок, а чувствительность его практически посто нна.

Дл  микронеровностей, меньших 3

0 мкм, характеристика становитс  более пологой, так как пьезоПотенциал в  чейке датчика образуетс  совокупным воздействием нескольких пиков микронеровностей; дл  микро5 неровностей, .больших 10 мкм, характеристика также становитс  более пологой, так как при этом на пьезоэлектрик воздействует только часть пика микронеравности.

0

Дл  повышени  чувствительности датчика площадь электродов 3 истоковых областей 5 матрицы ЦЭС выполн етс , примерно, равной площади одного ПЗС, благодар  чему обеспечивает5 с  увеличение измер емого пьезопотенциала .за счет увеличени  площади опроса пьезоэлектрика.

Последовательность импульсов, образующихс  на выходе I7 полупровод0 никового датчика шероховатости, подаетс  на индикатор: вольтметр, экран осциллографа, или ЭВМ.-. Калибровка индикатора производитс  по эталонным поверхност м.

5

Благодар  тому, что высота микронеровностей шероховатой поверхности характеризуетс  цифро-аналоговым сигналом, прив занным к определенной координате контролируемой поверх0 ности, обеспечиваетс  двумерна  идентификаци  параметров шероховатости этой поверхности.

Разрешающа  способность датчика определ етс  разр дностью матрицы

5 ПЗС.

Эффективность работы полупроводникового датчика шероховатости поверхности существенно зависит от

точности изготовлени  его составных частей. Мат4)ица ПЗС изготавливаетс  по известной технологии. Сначала предварительно раст нута  и пол ризованна  пленка поливинилиденфторида накладываетс  на пластину кремни  с матрицей ПЗС и подвергаетс  пластической деформации с целью создани  лицевой поверхности с минимальной шероховатостью. Дл  этого поверхкость пьезоэлектрика приводитс  в соприкосновение с нагретой эталонной безадгезионной поверхностью, например, из фторопласта. На полученную таким путем гладкую поверхкость пластичного пьезоэлектрика накоситс  напьшением в вакууме слой металла, например алюмини ,толщиной 10-50 нм, которьш служит общим электродом дл  образующегос  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 определ етс  .площадью кристалла используемого дл  матрицы ПЗС, и составл ет 30-70 мм . Датчик может использоватьс  дл  контрол  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 благодар  его миниатюрным размерам.

Применение предлагаемого датчика позвол ет по сравнению с известными профилометрами механического типа повысить число трасс ощупывани  с 1-3 до 100 и более, разрешение предлагаемого устройства ограничиваетс  разр дностью матрицы ПЗС при снижении оперативного времени регистрации шероховатости от 10-60 с до единиц секунд.

15

Фиг.г

13

12

т

/7 W

Claims (1)

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ, содержащий размещенные послойно сплошной электрод, эластичный чувствительный элемент и расположенные в матричном дорядке измерительные электроды, и соединенную с электродами систему опроса, о тли чающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, эластичный чувствительный элемент выполнен из пьезо- ¹ электрика, система опроса выполнена в виде матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС), примыкающей лицевой поверхностью к поверхности пьезоэлектрика, электроды истоковых обла< тей ПЗС выведены на лицевую поверхность матрицы и выполняют функции измерительных электродов датчика, а сплошной электрод заземлен.