SU682763A1 - Датчик малых перемещений - Google Patents

Description

(54) ДАТЧИК МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Изобретение относитс  к информационно-измерительной технике и а втоматике и может быть иопользовано в системах автоматического управлени  дл  контрол  и измерени  перемещений в качестзе датчика малых перемещений.

Известен преобразователь линейных перемещений iB напр жение 1, состо щий из электрических катушек с железными сердечниками и подвижных магнитных шунтов .

Недостатками этих дреобразователей Явл ютс  больша  потребл ема  мощность, наличие подвижных контактов и мала  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 относ тс  больща  потребл ема  мощность и мала  чувствительность по перемещению .

Цель изобретени  - повышение чувствительности датчика малых перемещений и снижение потребл емой мощности.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в датчик введены 1 с:точник тактовых импульсов , источник питани , дифференциальный усилитель и резисторы, а .подвижный гальваномагнитный э.пемент выполнен в виде регистра сдвига на приборах с зар довой св зью, на полупроводниковой подложке которых, по,крытой д;)электрическим слоем, расположены входной и выходной затворы, мелчду которыми раз.;ещены электроды переноса зар да. В полупроводниковой подложке перед входным затвором на.ходитс  входной диод, а после выходного затвора - выходные диоды. Э.ектроды переноса зар да подключены к источнику тактовых импульсов , входной диод соединен с источником питани , а выходные диоды через резисторы - с источником питани  и непосредственно с входами дифференцирующего усилител , 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, перемещающегос  в зазоре . На фиг. 3 показан подвижный гальвеномагнитный элемент в виде регистра сдвига на приборах с зар довой св зью; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3.

Магнитна  система состоит пз посто нных магнитов / л .рово,до;3 2, соедин ющих эти магниты и образующих четырехполюсную систем) с неоднородным магнитным полем в зазоре. В зазоре магнитной системы размещен регистр сдвига на приборах с зар довой св зью, выполненный на полупроводниковой иод.эжке 3 из кремни  п-типа, покрытой диэлектрическим слоем 4 окисла кремни , на котором размещены входной 5 и выходной 6 затворы, а меледу НИми - р д электродов 7-12 переноса зар да из алюмини . Последний электрод переноса зар да, наход щийс  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 зар да. При необходимости число выходных устройств и число частей последнего электрода переноса зар да можно увеличить дл  достижени  необходимой точности.

Выходные устройства отделены друг от друга и расположены ионерек канала в подложке 3, по которому проход т кгоСновные носители зар да при приложении тактовых импульсов напр жени  к электродам переноса зар да. Электроды переноса зар да вьшолнены в виде дуг и так, что каждый иоследующий электрод больше предыдущего по площади, начина  с электрода, расположенного после входного затвора, а вс  совокупность электродов образует конфигурацию в виде клина. Выходные диоды /5„ - 5д своими контактами подключены к источнику 17 аитаии  (ь Е, ЕЗ) через резисторы , входной диод 13 подключен также к источнику 17 питани  (4). Электроды 7-12 переноса за,р да, 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 зар да дырок в подложке 3. Дл  обеспечени  хранени  дырок к ближайшему из р да электродов 7 прикладываетс  отрицательное напр жение около -10 В дл  создани  потенциальной  мы в подложке 3. При подаче разрешающего им пульса напр жени  на входной затвор 5 дырки от входного диода 13 проте-кают в потенциальную  му под электродом 7. Дл  обеспечени  передачи дырок от электрода 7

к смежному электроду 8, к электроду 8 прикладываетс  большее- отрицательное наир жение - 20В. Под электродом 8 образуетс  более глубока  потенциальна   ма, в которую перетекают дырки.

Напр жение на электроде 7 снил аетс  до 1-2 В (пороговое напр жение), а после перетекани  дырок на электроде8 - до - ЮВ (ааир жение хранени ).

В следующий такт времени напр жение на электроде 9 с величины порогового напр жени  понижаетс  до напр жени  записи -20 В и дырии из-под электрода 8 перетекают под электрод 9 и т. д. Таким образом , дл  передачи зар да используетс  трехтактна  система импульсов напр жени  (Фь Фг, Фз)При отсутствии магнитного пол  дырки движутс  равномерно к последнему электроду , состо щему из трех частей /2„, 12, /2д и собираютс  в иотенциальных  мах под этими электродами в одинаковом ко-, личестве. Максимальное врем , которое могут хранитьс  дырки в потенциальных  мах

под электродами 12, /2,;, /2,,, определ етс  процессами термогенерации и может составл ть величину пор дка 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 зар да под электродам,и /2,,, 12/, /2,,

В моменты временн, когда отр1;цательное напр жение - 20 В подаетс  на выходной затвор 6, зар ды из потенциальных  м под электродами /2„, , 12 перетекают через обедненную область под выходным затвором и экстрагируютс  обратносмещенным .и выходными р диодами JS, /5j, ./5g выходных областей. Выходные напр жени  снимаютс  с выходных электродов через резисторы 21, 22, 23 соответственно за врем  действи  импульса напр жени  на выходном затворе 6 и с резисторов 21, 22 подаютс  на дифференцирующий усилитель 19. Разиостный сигнал с дифференцирующего усилител  иоступает на регистрирующий элемент 20.

При движении регистра сдвига на приборах с зар довой св зью в неоднородном магнитном поле в зазоре магнитной системы с посто дной скоростью и так, что магнитное поле направлено перпендикул рно к

поверхности регистра сдвига, на который размещены электроды 7-12 переноса зар да , на неосновные носители зар да при их движении Б подлож.ке 3 действует магнитна  сила, котора  отклон ет их, причем

тем больше, чем больше магнитна  индукци  в зазоре.

При движеиии в подложке вдоль р да электродов переноса неосновные носители зар да (дыркп) отклон ютс  магнитным полем и собираютс  в потенциальных  мах

под электродами 72, I2-, 12. Направление и распределение магнитного пол  в зазоре таковы, что больша  часть дырок попадает под электрод 12, а меньша  часть - под электрод /2(j, По мере перемепдени  регистра сдвига в зазоре все больша  часть дырок , инжектированных входным диодом 13 в подложку 3, попадают в  му под электрод и все меньша  часть под электрод 12. Из-под этих электродов дырки при иодаче импульса напр и;ег:и  на выходной затвор 6 экстрагируютс  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 напр жени , снимаемый с резистора 21, больше, чем снимаемый с резистора 22. сигнала подаютс  на дифференцирующий ус 1литель 19, и с него разностный сигнал поступает на регистрируЮШ .1ИЙ элемент 20.

Таким образом, выходной сигнал на регистрирующем элементе 20 оказываетс  пропорциональным градиенту индукции магнитного пол , т. е. .перемещению регистра сдвига на приборах с зар довой св зью (ПЗС) в зазоре с неоднородным магнитным полем.

Так как скорость перемещени  регистра сдвига в зазоре мала по сравнению со скоростью -передачи неосновных носителей зар да от входного устройства к выходным, то выходной сигнал успевает следить за малым перемещением регистра сдвига, т. е. данный датчик малых перемещений  вл етс  безынерционным.

В данной конструкции датчика примен ютс  три выходных диода. Дл  увеличени  точности можно увеличить число выходных диодов.

Использование в качестве подвижного гальваномагнитного элемента регистра сдвига на ПЗС снижает потребл емую мощность устройства благодар  тому, что релистр сдвига на ПЗС работает в импульсном режиме и  ри передаче зар да от входного диода к выходным затрачиваетс  мала  мощность в несколько мкВт.

Датчик малых перемещений с регистром сдвига на ПЗС в качестве подвижного элемента обладает повыщенной чувствительностью , так как переносимые зар ды могут накапливатьс  под электродами 12, 12, 12 до считывани  после периода интегрировани , который определ етс  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  

Датчик малых перемещений, содержащий регистрируЕОЩий элемент и магнитную систему, в зазоре которой размещен подважный гальваномагнитный элемент, о т л пчающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности и уменьшени  потребл емой мощности датчика, в него введены источник тактовых импульсов, источник питани , дифференциальный усилитель и резисторы , а подвижный гальваномагнитный элемент выполнен в виде регистра сдвига, на приборах с зар довой св зью, на пол}прОБОДНикавой подложке которых, покрытой диэлектрическим слоем, расположены входной и выходной затворы, между которыми размещены электроды переноса зар да , в полупроводниковой подложке перед входным затвором размещен входной диод,

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

с источником питани  и непосредственно с входами дифференцирующего усилител , выход которого подключен к регистрирующему элементу.

Источники информации, прин тые BQ внимание при экспертизе:

1.Авторское свидетельство СССР jYo 458009, G 08 С 9/04, 1973.

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