Кодовий напівпровідниковий фотоприймач для перетворювачів “кут-код”

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а именно, к устройствам преобразования аналоговой информации (угла поворота вала) в дискретную форму (код) и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, в системах автоматического контроля и управления. Известен многоэлементный фотоприемник, выбранный в качестве прототипа, в составе фотоэлектрического преобразователя угла поворота вала в код. Кодовый фотоприемник выполнен в виде расположенных между электродами дискретных дорожек с чередующимися фоточувствительными и фотонечувствительными к световому потоку ячейками, причем дорожки одного разряда сдвинуты относительно друг друга так что фоточувствительные ячейки одной дорожки расположены против фотонечувствительных ячеек другой дорожки. Для реализации n-разрядного кода используется 2п разрядных кодовых дороже к. Каждый разряд фотоприемника выполнен в виде трех электродов, внешние электроды соседних разрядов являются общими и предназначены для подачи положительного и отрицательного напряжения источника питания, тем самым осуществляя попарнодифференциальное включение дискретных фоточувствительных дорожек, а внутренний электрод является сигнальным и предназначен для съема информации. При засветке световым штрихом кодового поля фотоприемника, на нагрузочном резисторе, общим для двух дискретных дорожек, реализующих данный разряд, возникает сигнал, являющийся алгебраической суммой сигналов с первой и второй дорожек. Поскольку направления токов при этом различны в дорожках, то суммарный темновой ток отсутствует и на нагрузочном резисторе, при движении светового штриха (СШ) в данной разрядной дорожке будет возникать периодическая последовательность положительных и отрицательных сигналов первичного фототока проводимости. Аналогичная последовательность сигналов будет возникать на нагрузочных резисторах других разрядных дорожек фотоприемника. О положении СШ можно судить по комбинациям либо положительных, либо отрицательных сигналов, представляющих цифровой эквивалент измеряемого углового положения вала. Такой фотоприемник с топологией, когда за один разряд преобразования отвечает две сдвинутые друг относительно друга на длину фотоячейки идентичные кодовые дорожки, обладает существенным недостатком, который заключается в следующем. При обеспечении диапазона преобразования углов 0-360° возникает проблема снятия сигналов с кодовых дорожек. Топология такого кодового фотоприемника не позволяет решить задачу топологической разводки металлических электродов для подачи питания и вывода информационных сигналов в плоскости фотоприемника, Использование же изолирующих "прокладок" между электродами влечет за собой изготовление дополнительного фотошаблона и выполнения ряда дополнительных технологических процессов, что значительно усложняет технологию изготовления фотоприемника и, естественно, снижает процент выхода годных изделий, ведет к увеличению их стоимости. Кроме того, при пересечении электродов через изолирующую прокладку возникают паразитные емкостные связи между разрядами, что приводит к дополнительным погрешностям преобразования. В основу изобретения поставлена задача создать такой кодовый полупроводниковый фотоприемник, в котором новое выполнение топологии кодового поля фотоприемника, путем ее свертки, обеспечивает диапазон преобразования углов 0-360° при сохранении точности преобразования, что позволяет упростить конструкцию и повысить технологичность фотоприемника. Поставленная задача решается тем, что в кодовом полупроводниковом фотоприемнике для преобразователей "угол-код", содержащем подложку, расположенные на ней в соответствии с η-разрядным кодом Грея 2п кольцевых дорожек, содержащих фоточувствительные и фотонечувствительные к излучению источника света ячейки, каждому j-му разряду соответствуют две идентичные кодовые дорожки, смещенные одна относительно другой на длину фотоячейки J-ro разряда, сигнальные электроды, согласно изобретению, кодовое поле фотоприемника состоит из трех последовательно расположенных в радиальном направлении концентрических полукольцевых областей, выполненных в секторе 0-180° и разделенных двумя фотонечувствительными промежутками, причем во второй области расположены кодовые дорожки реализующие все разряды, кроме первых двух старших разрядов, первый разряд реализован двумя кодовыми, фоточувствительными в секторе 0-180°, дорожками, расположенными соответственно в первой и третьей областях фотоприемника, а второй разряд реализован двумя топологически подобными друг другу парами кодовых дорожек, первая пара кодовых дорожек расположена в первой области, а вторая пара - в третьей области, первая кодовая дорожка каждой пары является фоточувствительной в секторе 90-180°, вторая кодовая дорожка каждой пары является фоточувствительной в секторе 0-90°. Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показаны: фиг. 1 - топологический рисунок 5-ти разрядного фотоприемника на 0-360° в коде Грея; фиг.2а - топологический рисунок 5-ти разрядного фотоприемника в коде Грея с пара-фазными кодовыми дорожками для преобразователей "угол-код", выполненного в диапазоне углов 0-360°; фиг.2 6-2д - топологический рисунок п-разрядного фотоприемника в коде Грея с па-рафазными кодовыми дорожками для преобразователей "угол-код" на 0-360°, выполненного в диапазоне углов 0-180°; фиг.3 - топологический рисунок полукольцевого η-разрядного фотоприемника в коде Грея с парафазными кодовыми дорожками для преобразователей "угол-код" на 0-360°, выполненного в диапазоне углов 0-180°. Как видно на фиг. 1, за исключением 1-го разряда, часть А фотоприемника зеркально-симметрична части В фотоприемника относительно линии симметрии СД кодового поля фотоприемника на полный диапазон преобразования, т.е. 0-360°. Именно это обстоятельство делает возможным создание фотоприемника для диапазона преобразования углов 0-360° только в секторе 0-180°. Эта симметрия существует всегда для фотоприемника любой разрядности, кодовая топология которого выполнена в соответствии с кодом Грея. Как известно, формирование электрического образа кодовой топологии фотоприемника происходит при взаимодействии узкого радиального светового штриха с фоточувствительными ячейками, расположенными в соответствии с кодом. Движение одного СШ в пределах углов 0-360° эквивалентно движению двух СШ, сдвинутых друг относительно друга на 180°, вдоль только лишь части А фотоприемника, за исключением первого (старшего) разряда. Рассмотрим кодовые комбинации формируемые при взаимодействии светового штриха с фоточувствительными ячейками первого и второго разрядов фотоприемника, выполненного в соответствии с кодом Грея (фиг.2а, фоточувствительные ячейки условно показаны линиями и, для упрощения доказательства, кольцевая топология фотоприемника в коде Грея развернута в прямоугольную). Диапазон преобразования 0-360° условно разбит на сектора углов по 90°, так как для 1-го и 2-го разрядов они являются характерными и в них происходит смена кодовой комбинации. При взаимодействии СШ с фоточувствительными ячейками (в дальнейшем мы будет рассматривать только 1-ый и 2-ой разряды) в секторе 0-у0° код на выходе фотоприемника (после блока формирования кода, который на представленных фигурах и в описании заявки не указан, поскольку не является предметом заявки) будет (00), т.к. в этом секторе расположены фоточувствительные ячейки кодовых дорожек, к которым подводится отрицательное напряжение смещения. Аналогично, при взаимодействии ' СШ с фоточувствительными ячейками в секторе углов 90-180° формируется выходной код (01); в секторе углов 180-270° - соответственно (11); в секторе углов 270-360° - соответственно (10). Так как заявляемый кодовый фотоприемник для преобразователей "угол-код" на диапазон преобразования углов 0-360° имеет топологию фотоприемника в коде Грея, размещенную только в секторе углов 0-180°, то необходимо доказать, что кодовые комбинации первого и второго разрядов заявляемого фотоприемника соответствуют кодовым комбинациям фотоприемника, выполненного в коде Грея во всем диапазоне углов 0-360°. На фиг.2а показана топология фотоприемника, выполненного в соответствии с кодом Грея (5-й разрядного), условно разбитая на четыре характерные секторы 0-90°, 90-180°, 180— 270°, 270-360°, в которых при движении СШ происходит смена кодовой комбинации в 1-ом и 2-ом разрядах. На фиг.26, 2в, 2г и 2д показаны заявляемая кодовая топология 1-го и 2-го разрядов и положения двух световых штрихов СШ1 и СШ2, сдвинутых друг относительно друга по пространственной фазе на 180°, причем СШ1 взаимодействует с фоточувствительными ячейками кодовых дорожек первой и второй областей заявляемого фотоприемника, а СШ2 взаимодействует с фоточувствительными ячейками кодовых дорожек второй и третьей областей. Рассмотрим взаимодействие СШ2 с фоточувствительными ячейками фотоприемника (фиг.26) и учтем полярность приложенных напряжений к кодовым дорожкам 1-го разряда, состоящего из двух кодовых дорожек, и 2-го разряда, состоящего из четырех дорожек. Учтем, что при взаимодействии одного из двух СШ (СШ1 или СШ2) с фоточувствительными ячейками кодовой дорожки, к которой приложено отрицательное напряжение, выходной сигнал будет логическим "0", а с фоточувствительных ячеек кодовой дорожки, к которой приложено положительное напряжение, выходной сигнал будет логическим "1". Тогда при взаимодействии СШ2 с фоточувствительными ячейками 1-го и 2-го разрядов в секторе углов 0-90°, выходная кодовая комбинация будет (00), поскольку в этом секторе СШ2 взаимодействует с фоточувствительными ячейками кодовых дорожек, к которым приложено отрицательное напряжение. СШ1 при этом находится вне кодового поля фотоприемника. На фиг.2в показано положение СШ2 в секторе 90-180°. СШ1 по прежнему при этом находится вне кодового поля фотоприемника. При взаимодействии СШ2 с фоточувствительными ячейками кодовых дорожек 1-го и 2-го разрядов, в указанном секторе углов, выходная кодовая комбинация будет (01), при дальнейшем движении СШ2, он съезжает с кодового поля фотоприемника, тогда как СШ1 наезжает на кодовое поле фотоприемника (вторая и третья области). На фиг.2г показано положение СШ2 в секторе 180-270° и несмотря на то, что он не взаимодействует с кодовым полем фотоприемника, в работу вступает СШ1, который расположен в секторе 090°. При взаимодействии СШ1 с фоточувствительными ячейками 1-го и 2-го разрядов в указанном секторе углов выходная кодовая комбинация будет (11), что соответствует кодовой комбинации, получаемой при взаимодействии светового штриха с топологией фотоприемника, выполненного в секторе углов 0-360° в соответствии с кодом Грея. Аналогично, при нахождении СШ2 в секторе 270-360°. он не взаимодействует с кодовым полем фотоприемника, но работает СШ1, который в этот момент времени находится в секторе углов 90-180°. При взаимодействии СШ1 с фоточувствительными ячейками кодовых дорожек 1-го и 2-го разрядов, в указанном секторе углов, выходная кодовая комбинация будет (10), что соответствует кодовой комбинации, получаемой при взаимодействии одного СШ, находящегося в секторе углов 270-360°, с топологией фотоприемника, выполненного в секторе углов 0-360° в соответствии с кодом Грея. Так как разряды преобразования, начиная с 3-го по п-ый включительно, в заявляемой кодовой топологии фотоприемника воспроизводятся при движении двух световых штрихов (симметрия фотоприемника, кроме первого разряда), сдвинутыми по пространственной фазе на 180°, то с учетом вышеприведенных доказательств, все кодовые комбинации кода Грея в диапазоне углов 0-360°, а также последовательность их возникновения при взаимодействии световых штрихов (СШ1, СШ2) с заявляемой кодовой топологией фотоприемника, полностью соответствуют выходным сигналам фотоприемника, выполненного полностью соответствуют выходным сигналам фотоприемника, выполненного в диапазоне углов 0-360?. Кодовый фотоприемник (фиг.3) для преобразователей "угол-код" в диапазоне углов 0-360° состоит из подложки 1, трех концентрических полукольцевых областей 2,3,4, содержащих кодовые дорожки, состоящие из фоточувствительных и фотонечувствительных ячеек, в соответствии с кодом Грея. Концентрические полукольцевые области выполнены в секторе 0-180° и разделены двумя фотонечуаствительными промежутками 5, 6. В области 3 расположены кодовые дорожки (условно не показаны), реализующие 3,4,5, ...п-1, n разряды. Кодовые дорожки 7 и 8, фоточувствительные в секторе 0-180°, формируют первый разряд и расположены в областях 2 и 4 соответственно. Кодовые дорожки 9,10 расположены в первой области 2, а кодовые дорожки 11, 12 расположены в третьей области 4 и формируют второй разряд преобразования, причем 9 и 11 кодовые дорожки и 10 и 12 кодовые дорожки топологически подобны. Кодовые дорожки 9 и 11 являются фоточувствительными в секторе 90-180°, кодовые же дорожки 10 и 12 являются фоточувствительными в секторе 0-90°; 13 - металлические электроды для подачи питания и съема кодовых сигналов. Кодовый фотоприемник в составе преобразователя "угол-код" в диапазоне углов 0-360° работает следующим образом. В каждый момент времени на активном (кодовом) поле фотоприемника присутствует только один из двух световых штрихов: либо СШ 1, либо СШ 2, которые расположены вдоль диаметра фотоприемника таким образом, что первый СШ1 перекрывает только первую 2 и вторую 3 области фотоприемника, а второй СШ 2 перекрывает только вторую 3 итретью 4 области фотоприемйика при измерении углового положения контролируемого вала преобразователя в диапазоне углов 0-360°. В зависимости от углового положения φ контролируемого вала световой штрих (либо СШ 1, либо СШ 2) попадает либо на фоточувствительные ячейки кодовых дорожек, либо на промежуток между ними. Учтем полярность приложенных напряжений к кодовым дорожкам 7 и 8 первого разряда (положительное напряжение приложено к дорожке 7 и отрицательное к дорожке 8) и к кодовым дорожкам 9, 10 и 11, 12 второго разряда (положительное напряжение приложено к дорожкам 9, 11 и отрицательное к дорожкам 10, 12). При взаимодействии одного из двух СШ (СШ1 или СШ2) с фоточувствительными ячейками кодовых дорожек, к которым приложено отрицательное напряжение, выходной сигнал будет логическим "0", а с фоточувствителъных ячеек кодовых дорожек, к которым приложено положительное напряжение, выходной сигнал будет логической "Г. При наезде СШ2 на кодовые дорожки 11,12 второго разряда и кодовую дорожку 8 первого разряда получаем выходную кодовую комбинацию (00) в секторе углов 0-90°. При взаимодействии СШ2 с фоточувствительными ячейками кодовой дорожки 8 первого разряда и кодовыми дорожками 11,12 второго разряда в секторе углов 90-180° полу чаем выходную комбинацию (01). При дальнейшем движении СШ2, он переходит на подложку 1, где отсутствует кодовое поле фотоприемника. Но как только СШ2 съезжает с кодового поля фотоприемника, СШ1 наезжает на кодовые дорожки 7 первого разряда и кодовые дорожки 9,10 второго разряда. При взаимодействии СШ1 с фоточувствительными ячейками кодовой дорожки 7 первого разряда и кодовыми дорожками 9, 10 второго разряда в секторе углов 0-90° получаем выходную кодовую комбинацию (10), что соответствует кодовой комбинации получаемой при взаимодействии СШ с топологией фотоприемника, в соответствии с кодом Грея, для его первых двух старших разрядов в секторе углов 180-270/*. При взаимодействии СШ1 с фоточувствительными ячейками кодовой дорожки 7 первого разряда и кодовыми дорожками 9, 10 второго разряда в секторе углов. 90-180° получаем выходную кодовую комбинацию (11). В каждый момент времени на кодовом поле фотоприемиика на области 3 (на которой условно показана топология фотоприемника, выполненная в соответствии с кодом Грея, для 3-го, 4-го...n-го разрядов) присутствует один световой штрих (либо СШ1, либо СШ2), которые при последовательном взаимодействии с фоточувствительными ячейками кодовых дорожек области 3 дают выходные кодовые комбинации в соответствии с кодом Грея для 3-го, 4-го и т.д. до n-го разряда включительно. Работа фотоприемиика не зависит от того, какой из двух СШ (либо СШ 1, либо СШ2) начинает взаимодействовать с кодовыми дорожками, т.е. описание работы фотоприемника будет аналогичным, если начать рассматривать взаимодействие СШ1 (вместо СШ2, как приведено выше) с кодовыми дорожками заявляемого фотоприемника. Сигналы токов фотооткликов с двух кодовых дорожек, отвечающих за формирование одного разряда, идентичны по форме и сдвинуты по пространственной фазе на 180°. Так как постоянные составляющие электрического тока, возникающие в цепях кодовых дорожек одинаковы, то точность преобразования угла поворота вала в цифровой код повышается следствие компенсации составляющих фототока, связанных с температурными колебаниями, разбросом,, фоточувствительности ячеек и другими факторами. Указанный фотоприемник для преобразователей "угол-код· диапазоне углов 0-360° может быть реализован как по кремниевой технологии, так и на основе материалов A'BVI (CdS, CdSe) на изолирующих подложках (ситалл. поликор). Пример реализации конструкции. Кодовый фотоприемник для преобразователей "угол-код" в диапазоне углов 0-360° был реализован по кремниевой технологии на кремниевых пластинах марки КДБ-20 диаметром 100 мм р-типа проводимости с удельным сопротивлением 20 Ом. см по технологии с локальным окислением кремния. Фоточувствительные области образуются при формировании полукольцевых дорожек из р-п переходов путем диффузии фосфора или ионной имплантации. Фотоприемник имеет следующие параметры: Заявляемый кодовый фотоприемник для преобразователей "угол-код" в диапазоне углов 0-360° разрешает задачу разводки электродов в плоскости фотоприемника для подачи питания и съема информации, что позволяет упростить конструкцию и повысить технологичность фотоприемника. Половина площади фотоприемника освобождается для разводки электродов питания и съема информации. Кроме того, в секторе 180-360° фотоприемника возможно выполнение всего блока электронной обработки сигналов фотоприемника.