фотоэлектрический преобразователь перемещения в код

Формула изобретения

Фотоэлектрический преобразователь перемещения в код, содержащий оптическую систему, формирующую световой зонд, кодирующий фотоприемник, отличающийся тем, что дополнительно введены сопротивление нагрузки, первый и второй источники импульсного напряжения, источник напряжения, генератор синхронизации, компаратор напряжения, регистр сдвига и генератор импульсов, при этом кодирующий фотоприемник выполнен в виде сформированного в пластине полупроводника, например n-типа, одного р-n-перехода, покрытого сверху через слой изолятора без зазорной кодирующей маской с нанесенными на края р-области и на нижнюю часть n-области тремя омическими электродами, один из которых подключен к сопротивлению нагрузки, второй - к источнику импульсного напряжения, управляемому от генератора синхронизации, а третий к источнику напряжения, причем к сопротивлению нагрузки подключен первый вход компаратора напряжения, второй вход которого подключен к источнику импульсного напряжения, а выход компаратора напряжения соединен с информационным входом регистра сдвига, тактовый вход которого подключен к генератору импульсов, управляемого от генератора синхронизации, а источник света подключен ко второму источнику импульсного напряжения, также управляемому от генератора синхронизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автоматики и измерительной техники и может быть использовано в разных областях, в том числе для измерения угловых перемещений.

Известна конструкция преобразователя перемещения в код (АС СССР № 1105923, G08C 9/06, опубл. 30.07.84), содержащая объектив и фотоприемник с электродами, в которой фотоприемник выполнен в виде расположенных между электродами дискретных дорожек с чередующимися чувствительными и нечувствительными к световому потоку ячейками. Для реализации каждого разряда используются две дорожки со светочувствительными ячейками, ячейки которых сдвинуты относительно друг друга. К электродам каждой дискретной дорожки подключен усилитель сигнала фотоприемника, к выходу которого подключен компаратор. Выходы компараторов несут информацию о перемещении в виде двоичного кода.

Недостатками этого аналога можно считать сложность блока электроники и кодирующего фотоприемника и низкую стабильность и быстродействие фотоприемника. Например, для 12-разрядного двоичного преобразователя с V-образным кодом требуется 23 усилителя сигналов фотоприемников и 23 компаратора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является датчик перемещения (С.А.Матюнин. Датчик перемещения на основе кодирующего фотоприемника с термокомпенсацией по оптическому каналу // Датчики и системы, М., № 9, 2001, с.21-23), кодирующий фотоприемник которого представляет собой полупроводниковую пластину, например n⁺-типа, со сформированным в нем слоем n-типа, в котором методами планарной технологии сформирован ряд кольцеобразных областей p-типа проводимости, определяемых числом разрядов выбранного кода, защищенных сверху пленкой двуокиси кремния, в которой для создания омического контакта к p- и n-областям вскрыты окна. Сверху кодирующий фотоприемник покрывается светонепроницаемым слоем металлизации, в котором формируются окна в соответствии с выбранной кодовой шкалой. К электродам каждой дискретной дорожки подключены усилители сигнала фотоприемника и компараторы, общее количество которых зависит от разрядности фотоприемника и используемого кода.

Например, для 12-разрядного двоичного преобразователя с V-образным кодом требуется 23 усилителя сигналов фотоприемника и 23 компаратора.

Недостатком описанного прототипа является сложность конструкции кодирующего фотоприемника и блока электроники.

Кроме того, сложность конструкции кодирующего фотоприемника приводит к сложности технологического процесса его изготовления и, соответственно, к уменьшению процента выхода годных изделий при его изготовлении. Усложняется также технология изготовления блока электроники, снижается надежность, и увеличиваются массогабаритные показатели всего фотоэлектрического преобразователя перемещения в код. Указанные недостатки обусловлены тем, что разделение кодирующего фотоприемника на N изолированных друг от друга p-n-переходов для кодирования перемещения требует N преобразователей тока в напряжение, соответственно N компараторов напряжения и соответствующее количество логических элементов для обработки с N-разрядного фотоприемника. Кроме того, изолирование p-n-переходов требует изоляции дорожек кодирующей маски фотоприемника друг от друга путем создания технологических зазоров достаточно малой величины и большой протяженности. Это резко снижает процент выхода годных изделий.

В основу изобретения поставлена задача упрощения конструкции кодирующего фотоприемника и блока электроники.

Данная задача решается за счет того, что в фотоэлектрическом преобразователе положения в код, содержащем оптическую систему, формирующую световой зонд, кодирующий фотоприемник, согласно изобретению дополнительно введены сопротивление нагрузки, первый и второй источники импульсного напряжения, источник напряжения, генератор синхронизации, компаратор напряжения, регистр сдвига и генератор импульсов, при этом кодирующий фотоприемник выполнен в виде сформированного в пластине полупроводника, например n-типа, одного p-n-перехода, покрытого сверху через слой изолятора беззазорной кодирующей маской с нанесенными на края p-области и на нижнюю часть n-области тремя омическими электродами, один из которых подключен к сопротивлению нагрузки, второй - к источнику импульсного напряжения, управляемому от генератора синхронизации, а третий - к источнику напряжения, причем к сопротивлению нагрузки подключен первый вход компаратора напряжения, второй вход которого подключен к источнику импульсного напряжения, а выход компаратора напряжения соединен с информационным входом регистра сдвига, тактовый вход которого подключен к генератору импульсов, управляемого от генератора синхронизации, а источник света подключен ко второму источнику импульсного напряжения, также управляемому от генератора синхронизации.

Устройство фотоэлектрического преобразователя положения в код поясняется чертежом.

Кодирующий фотоприемник представляет собой полупроводниковую пластину 1, например n-типа проводимости, в которой сформированы область 2, n⁺ -типа проводимости, и область 3, p-типа проводимости, образующие один p-n-переход, p-область кодирующего фотоприемника покрыта через слой изолятора 4, например SiO₂, беззазорной кодирующей маской 5, например Al. На края p-области и на нижнюю часть n-области нанесены три омических электрода. Первый из омических электродов фотоприемника 6 подключен к сопротивлению нагрузки 7, второй 8 - к источнику импульсного напряжения 9, а третий 10 - к источнику напряжения 11. Источник света 12 подключен к импульсному источнику напряжения 13. К сопротивлению нагрузки подключен первый вход компаратора напряжения 14, второй вход которого подключен к источнику импульсного напряжения 9, а выход к входу регистра сдвига 15, тактовый вход которого подключен к генератору импульсов 16. Оба источника импульсного напряжения и генератор импульсов управляются от генератора синхронизации 17.

Устройство работает следующим образом. Световой зонд, формирующийся оптической системой из потока излучения источника света 12, управляемого импульсным источником напряжения 13, попадает на поверхность кодирующего фотоприемника. Если световой зонд попадает на ячейку кодирующего фотоприемника, не закрытую кодирующей маской, то в этом месте под действием фотоэффекта формируются носители заряда. Поскольку сформированный в фотоприемнике p-n-переход обратно смещен источником напряжения 11, то основное количество носителей заряда расположено в области p-типа проводимости. На время действия светового зонда источник импульсного напряжения 9 отключен. К моменту окончания действия светового зонда в p-области возникает распределение носителей заряда, соответствующее коду маски в освещаемой области кодирующего фотоприемника. После отключения источника света 12 к p-области с помощью источника импульсного напряжения 9 прикладывается электрическое поле. Под действием этого поля носители заряда дрейфуют, создавая на сопротивлении нагрузки 7 импульсы напряжения, зависимость которых от времени также соответствует коду маски в освещаемой области кодирующего фотоприемника. Компаратор напряжения 14 преобразует импульсы напряжения в двоичный код. Выходной сигнал компаратора напряжения поступает на информационный вход регистра сдвига 15. Период и длительности следования импульсов от генератора импульсов 16 на тактовый вход регистра сдвига позволяют преобразовать временную зависимость напряжения на выходе компаратора напряжения, соответствующую коду маски в освещаемой области фотоприемника в код.

Поскольку в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа кодирующий фотоприемник выполняется в виде сформированного в пластине полупроводника одного p-n-перехода, покрытого сверху через слой изолятора беззазорной кодирующей маской, то тем самым упрощается технология его изготовления, конструкция и уменьшаются габариты, а сокращение количества компараторов напряжения, усилителей фототока в N раз, а также соответствующее количество элементов логики упрощает конструкцию блока электроники.