ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНИКА ДУГОВОЙ КОНФИГУРАЦИИ
PHOTOELECTRIC CONVERTER OF ANGLES BASED ON POSITION-SENSITIVE PHOTODETECTOR OF ARC CONFIGURATION

Изобретение относится к области оптоэлектроники, преобразовательной техники, а именно к полупроводниковым фотоэлектрическим преобразователям углов.
II
VI
Известны датчики угла поворота, выполненные на основе фотопотенциометров и функциональных фоторезисторов круговой конструкции с поперечной фотопроводимостью (Свечников С.В., Смовж А.К., Каганович Э.Б. Фотопотенциометры и функциональные фоторезисторы. - М.: Совет. радио, 1978. - 184 с.). Такие датчики, как правило, содержат светонепроницаемый корпус, позиционно-чувствительный фотоприемник (фотопотенциометр или функциональный фоторезистор), источник света и оптическое устройство формирования светового зонда. Это устройство механически сопряжено с входной осью прибора, при этом изменение углового положения оси изменяет пространственное положение светового зонда на активной поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника. В датчиках, выполненных на основе фотопотенциометров, для получения зависимостей выходного сигнала от угла поворота излучателя используются специальные маски, с заранее заданной геометрической конфигурации (кольца, секторы кольца, спирали) и переменной прозрачности, формирующие световой зонд. В датчиках, выполненных на основе функциональных фоторезисторов, закон распределения внутреннего сопротивления реализуется либо за счет профилирования фотопроводящего слоя, либо путем профилирования электродов. Такие фоторезисторы и фотопотенциометры изготавливаются посредством тонкопленочной технологии с использованием методов фотолитографии. Для фотопроводящих слоев, преимущественно, используются пленки полупроводниковых соединений группы АB.
Недостатками таких датчиков являются наличие дополнительных масок с переменной прозрачностью для оптического воздействия, использование фотолитографических процессов для получения необходимой геометрической формы фоторезисторов.
Известны твердотельные фотопотенциометры круговой конфигурации, выполненные на основе кремния и германия, содержащие p-n-переходы. (Раt. USA №3222531. Solid state junction photopotentiometer. S.R.Morrison, 1965). Недостатком таких фотопотенциометров является прямоугольная форма подложки. При реализации р-n-переходов в форме кругов, колец и полуколец на прямоугольной подложке остается большой объем периферийных (неактивных) областей полупроводникового материала, что увеличивает массогабаритные показатели устройств, выполненных на основе таких фотопотенциометров. Также недостатками предложенных фотопотенциометров являются прямоугольная протяженная форма светового зонда и необходимость реализации его вращения относительно общей центральной оси фотопотенциометров.
Известен оптоэлектронный функциональный преобразователь (АС №1439633, 1978), содержащий на общей оси в светонепроницаемом корпусе направленный источник света и координатно-чувствительный фотоприемник (пленочный фотопотенциометр) круговой конструкции, между которыми установлен узел формирования светового зонда, закрепленный на входной оси вращения преобразователя, соосной с общей осью. Узел формирования светового зонда выполнен в виде непрозрачного тела вращения, в котором от центра к периферии под углом к общей оси выполнен цилиндрический канал с отражающей внутренней поверхностью. Цилиндрический канал оптически связан с выходом направленного источника света и фоточувствительным входом координатно-чувствительного кругового фотопотенциометра, выводы которого являются электрическими входом и выходом преобразователя. Кроме того, в зазоре между внутренней поверхностью светонепроницаемого корпуса и непрозрачным телом вращения расположен световой лабиринт, выполненный в виде двух сопряженных гребенок, прикрепленных соответственно к светонепроницаемому корпусу и поверхности непрозрачного тела вращения. Направленный источник света расположен на общей оси так, что ось симметрии его диаграммы направленности проходит через центр основания цилиндрического канала, а фотоприемник располагается относительно основания цилиндрического канала на определенном расстоянии, задаваемом определенной расчетной формулой. Целью такого оптоэлектронного функционального преобразователя является повышение точности за счет увеличения коэффициента использования светового потока направленного источника света.
Недостатками такого функционального преобразователя является сложный узел формирования светового зонда с цилиндрическим каналом с отражающей внутренней поверхностью, наличие светового лабиринта, а также условия относительного расположения источника и фотоприемника. Кроме того, фотопотенциометр выполняется с использованием тонкопленочной технологии.
Известны позиционно-чувствительные кремниевые полупроводниковые фотоприемники - сканисторы (В.Ф.Золотарев. Безвакуумные аналоги телевизионных трубок. М.: Энергия. - 1972 - 216 с.), представляющие собой вертикальные р-n-р- или n-р-n структуры, реализованные с помощью одной операции двухсторонней диффузии, с тремя омическими контактами, два из которых расположены по краям верхнего фоточувствительного слоя, служащего эмиттером и одновременно делителем напряжения источника. Третий контакт является контактом к эквипотенциальной нижней области полупроводника. При проецировании светового пучка на эмиттерную область сканистора создается рельеф возбужденных светом и разделенных р-n-переходом носителей тока. Считывание рельефа осуществляется либо приложением пилообразного напряжения между эмиттером и коллектором, либо постоянным напряжением, приложенным между эмиттерами. В последнем случае значение напряжения на коллекторе пропорционально координате светового пучка. Основной целью создания сканисторов являлась замена передающих вакуумных телевизионных трубок твердотельными аналогами. При этом сканисторы изготавливались в виде линейных структур (полосок полупроводника) для преобразования строк телевизионного изображения.
Для использования линейных сканисторов в составе датчиков углов поворота требуется дополнительные механические преобразователи вращательного движения в поступательное или же сложные оптические системы, что существенно усложняет конструкцию, повышает стоимость и массогабаритные показатели таких устройств.
Для преодоления указанных недостатков предлагается данное изобретение.
Технический результат: упрощение конструкции фотопреобразователя и технологии изготовления фотоприемника.
Технический результат достигается за счет исключения узла формирования светового зонда, использования направленного излучателя с узкой диаграммой направленности и реализации протяженного полупроводникового кремниевого фотоприемника дуговой конфигурации без использования фотолитографических процессов.
Описание изобретения
Для бесконтактного измерения углов поворота объектов относительно друг друга в большинстве случаев использование фотопотенциометров является наиболее эффективным, а иногда и единственным способом получения данных.
В настоящее время в составе фотопреобразователей используются полупроводниковые позиционно-чувствительные фотоприемники. Выходной сигнал такого фотопреобразователя зависит от пространственного положения светового зонда на поверхности фотоприемника. С помощью подобных фотопреобразователей можно дистанционно регистрировать линейные перемещения, углы отклонения и поворота объектов.
1
2
Предлагаемый фотоэлектрический преобразователь углов (фиг.1) содержит светонепроницаемый корпус 1 с входной осью вращения преобразователя 2, соосной с общей осью 3, тело вращения 4, закрепленное на входной оси вращения преобразователя, координатно-чувствительный полупроводниковый фотоприемник дуговой конфигурации с фоточувствительным входом 5, выводы которого являются электрическими входом Э и Э и выходом К преобразователя, направленный (с узкой диаграммой направленности) источник света 6, оптически связанный с фоточувствительным входом координатно-чувствительного полупроводникового фотоприемника дуговой конфигурации 5.
Фотоприемник 5 (фиг.1) расположен на закрепленном внутри светонепроницаемого корпуса 1 первом основании 7, выполняющем функцию термокомпенсатора, которое может быть металлическим или диэлектрическим, соосно с общей осью 3. На теле вращения, выполненном в виде второго металлического или диэлектрического основания 4 и закрепленном на входной оси вращения преобразователя 2, размещен источник света 6, направленный на координатно-чувствительный полупроводниковый фотоприемник дуговой конфигурации 5, на расстоянии, равном радиусу дуги, проходящей через ось симметрии 4 (фиг.2) радиального поперечного сечения координатно-чувствительного полупроводникового фотоприемника, параллельную общей оси.
1
2
При этом координатно-чувствительный полупроводниковый фотоприемник (фиг.2) имеет дуговую конфигурацию и содержит последовательно расположенные первую полупроводниковую область первого типа проводимости 1 с размещенными по краям первым Э и вторым Э проводящими контактами, являющимися электрическим входом преобразователя, вторую полупроводниковую область второго типа проводимости 2 и третью полупроводниковую область первого типа проводимости 3 со сплошным проводящим контактом К, являющимся электрическим выходом преобразователя.
В составе преобразователя в качестве источника света 6 (фиг.1) могут быть использованы излучающие диоды с узкой диаграммой направленности или лазерные диоды. Питание источника света может осуществляться от встроенного миниатюрного аккумулятора или через внешние выводы светонепроницаемого корпуса от отдельного источника. Световое пятно на поверхности фотоприемника от источника света 8 может быть любой формы. Поперечный размер светового пятна может быть равным или превышать ширину радиального поперечного сечения позиционно-чувствительного фотоприемника.
При реализации полупроводникового позиционно-чувствительного фотоприемника с вертикальной или планарной структурой р-n-переходов в форме дуги появляется возможность сравнительного простого преобразования угла в выходной сигнал. При использовании источников излучения с узкой диаграммой направленности в конструкции фотопреобразователей и достаточного близкого расположения излучателя и фотоприемника для получения светового пятна диаметром, сравнимым с поперечным размеров фотоприемника, можно отказаться от сложных узлов формирования светового зонда, что значительно упрощает конструкцию.
1
2
1
2
Позиционно-чувствительный фотоприемник дуговой конфигурации (фиг.2.), использованный в конструкции фотопреобразователя углов, представляет собой трехслойную полупроводниковую, например кремниевую, вертикальную структуру, содержащую первую полупроводниковую область первого типа проводимости 1, например р-типа, с расположенными по краям первым Э и вторым Э проводящими, например, металлическими контактами, вторую область второго типа проводимости 2, например, n-типа и третью область первого типа проводимости 3, например, р-типа со сплошным третьим проводящим, например, металлическим контактом К. Третий контакт является контактом к эквипотенциальной нижней области полупроводника. При проецировании светового пятна 5 от излучателя ИД на верхнюю полупроводниковую область первого типа проводимости 1 в месте засветки создается рельеф возбужденных светом и разделенных р-n-переходом носителей тока, следствием которого является уменьшение поперечного сопротивления фотопроводящей области второго типа проводимости 2. В месте светового пятна образуется низкоомный контакт между верхней высокоомной полупроводниковой областью первого типа проводимости 1 и третьим металлическим контактом К. В результате чего образуется делитель напряжения питания, приложенного к электродам Э, Э, местом нахождения светового пятна, и значение напряжения, измеряемого на третьем контакте К, пропорционально координате (углу α) светового пятна.
Зависимость напряжения на третьем контакте К позиционно-чувствительного фотоприемника дуговой конфигурации от величины угла α, при условиях что напряжение равномерно распределяется вдоль первой полупроводниковой области первого типа проводимости и длина дуги позиционно-чувствительного фотоприемника дуговой конфигурации, проходящей через вертикальную ось симметрии 4 радиального поперечного сечения позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника дуговой конфигурации, значительно больше ширины его поперечного сечения, описывается следующим соотношением:
k
num
U=kαU/180R,
num
1
2
где U - постоянное напряжение, прикладываемое между первым Э и вторым Э электродами позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника дуговой конфигурации;
α- угол сектора в градусах;
R - радиус дуги позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника дуговой конфигурации;
k - конструктивный параметр, зависящий от геометрии расположения излучателя и позиционно-чувствительного фотоприемника, а также от интенсивности излучения.
Напряжение на третьем контакте К такого фотоприемника прямо пропорционально углу α, на который отклонится световое пятно по отношению к началу дуги позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника дуговой конфигурации.
Профиль радиального поперечного сечения позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника дуговой конфигурации вертикальной или планарной структуры р-n-переходов в случае линейного преобразования может быть в форме прямоугольника или трапеции и неизменным по длине дуги фотоприемника. В случае функционального преобразования профиль радиального поперечного сечения позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника дуговой конфигурации может быть в форме прямоугольника или трапеции и изменяющимся по длине дуги фотоприемника размерами.
В отличие от стандартных полупроводниковых технологий изготовления фотоприемников, использующих фотолитографические процессы, предлагаемый фотоприемник дуговой формы изготовлен с помощью одной операции двухсторонней (с двух сторон кремниевой пластины) диффузии, никелирования и ультразвуковой резки. При этой технологии изготовления весь кристалл дуговой формы является активной областью фотоприемника.
Для изготовления кристаллов фотоприемника дуговой геометрической формы использована установка ультразвуковой резки кремниевых пластин, мощность колебательной системы которой составляет 80-100 Вт. Резонанс ультразвукового преобразователя совместно с концентратором и режущим инструментом находился в диапазоне частот 17-22 кГц. Использование режущих инструментов с концентрическими режущими кромками треугольного сечения позволило в процессе резки снимать фаски (фиг.2) с боковой поверхности колец для повышения напряжений пробоя переходов и снижения токов утечки. В процессе резки между пластиной кремния и инструментом подавалась суспензия в виде взвеси в воде порошка карбида бора со средним размером гранул 20 мкм. При этом средняя скорость резки полупроводниковых пластин толщиной 300 мкм составляла 2-3 мин. В результате получены полупроводниковые вертикальные трехслойные структуры фотоприемников в форме дуги без использования фотолитографических процессов.
В экспериментальном образце преобразователя угла поворота в напряжение использован дуговой кремниевый фотоприемник (сектор кольца 100°), представляющий собой полупроводниковую вертикальную структуру с шириной основания сечения 1,5 мм, радиусом дуги 14 мм, с двумя р-n-переходами (фиг.2), реализованными на глубинах 53 и 233 мкм в объеме полупроводника n-типа проводимости с поверхностным сопротивлением  Удельное сопротивление p-областей составляет 400 Ом·см. На верхней фоточувствительной поверхности полупроводникового кремниевого позиционно-чувствительного фотоприемника дуговой конфигурации размещены два металлических электрода (полученных с помощью никелирования по краям кольцевого сектора до операции резки) для подключения источника питания, на противоположной стороне кристалла - третий выходной электрод.
Фотоприемник смонтирован на металлическом компенсаторе, припаянном к металлизированной диэлектрической пластине, и размещен в цилиндрическом светонепроницаемом корпусе с поворотным механизмом. На валу поворотного механизма размещено диэлектрическое основание с направленным излучателем - ИК-диодом. При вращении вала прибора ИК-диод перемещается относительно фотоприемника по дуге, проходящей через ось симметрии поперечного сечения координатно-чувствительного полупроводникового фотоприемника.
ф
m
ИК-диод излучал на длине волны 950 нм; ток 70 мА; диаметр луча на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника составлял ~3 мм. Длина светочувствительной области составляла L=20 мм, и отношение фототока к темновому току I/I ~50. Питание фотоприемника осуществлялось от регулируемого стабилизированного блока питания напряжениями 27, 15 и 10 В. Измерения напряжения на третьем контакте проводились вольтметром. Погрешность измерения составляла 0,1%.
к
num
Полученные зависимости напряжения на третьем электроде U в зависимости от угла поворота для разных напряжений питания U приведены на фиг.3.
Линейность (в пределах 1%) зависимости напряжения от угла поворота сохраняется в пределах 17°-100°. Диапазон измерения углов данного фотопреобразователя составляет не менее 80°. Шагу в 1' (угловую минуту) соответствует шаг напряжения в 6,4 мВ. Чувствительность фотопреобразователя на 10 мкм смещения светового зонда составляет 20 мВ.
Таким образом, выходной сигнал такого преобразователя линейно зависит от угла поворота излучателя относительно одного из контактов к верхней фоточувствительной области ПЧФ. Такие преобразователи имеют простую конструкцию, упрощенную технологию изготовления, высокую точность определения угла (в разработанной конструкции - 5 угловых минут), высокую надежность (твердотельная конструкция), а также совместимость со стандартной измерительной, согласующей и обрабатывающей аппаратурой.
Литература
1. Свечников С.В., Смовж А.К., Каганович Э.Б. Фотопотенциометры и функциональные фоторезисторы. - М.: Совет. радио, 1978. - 184 с.
2. АС №1439633, 1978.
3. Pat. USA №3222531. Solid state junction photopotentiometer. S. R. Morrison, 1965.
4. В.Ф.Золотарев. Безвакуумные аналоги телевизионных трубок. М.: Энергия. - 1972 - 216 с.