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Anordnung zum berührungslosen Messen von elektrischen
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Ladun-sbildern bei elektroradiografischen Aufzeichnungsverfahren Die
Erfindung betrifft Anordnungen zum berührungslosen Messen von elektrischen Ladungsbildern
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere gemäß DE-PT 31 21 494.
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Für die Speicherung von strahlungsinduzierten Bildern (z.B. optischen
Bildern oder Röntgenbildern) wird bekanntlich die Ladungsspeicherung an hochohmigen
Flächen benutzt (vgl. z.B. R.M.Schaffert "Electrophotographit" the focal press (1975),
Seiten 191 bis 201).
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Eine Möglichkeit besteht darin, daß man die hochohmige Fläche von
fotoleitenden Kristallen, wie z.B. Selenplatten, verwendet. Diese werden nach einer
vorherige Aufladung durch die abzubildende Strahlungsenergie in ihrer Entladung
moduliert. Damit wird das Strahlungstransmissionsbild in ein auf der Oberfläche
der Platte festsitzendes Ladungsbild gewandelt. Eine andere Möglichkeit der Erzeugung
eines Ladungsbildes stellt das als Ionografie bekannte Verfahren dar. Dabei wird
durch die abzubildende Strahlungsenergie in einem Raum eine Ionisierung hervorgerufen
und die geladenen Teilchen werden dann auf einer elektrisch i-solierenden Fläche
als Ladungsbild gesammelt. Ein nach den bekannten Methoden hergestelltes Ladungsbild
wird zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes einem ebenfalls bekannten Entwicklungsverfahren
unterworfen, indem z.B. ein Farbpigmentpulver aufgetragen wird. Dabei geht aber
im allgemeinen das Ladungsbild auf der Speicherplatte ver-
loren.
Eine weitere Beeinflussung der Wiedergabe ist nicht mehr möglich.
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Insbesondere in der medizinischen Diagnostik hat es sich als zweckmäßig
herausgestellt, auch elektronische, auf einer Isolierfläche liegende Ladungsbilder
vor ihrer Entwicklung einer hochauflösenden Auswertung unterwerfen zu können, ohne
daß die Ladungsverteilung und damit die Möglichkeit, ein direktes sichtbares Bild
davon herzustellen, zerstört wird. Man möchte elektronische Bildauswertverfahren
mit der Elektroradiografie vereinigen können, etwa ein-e Vereinigung von Gomputerradiografie
(CR) und Elektroradiografie sowie Vorauswertung optisch "xerografischer" Methoden
(Laserdrucker und ähnliches). Dadurch könnte z.B. zunächst ein graustufenreiches
Bild elektronisch gewonnen werden, bevor das Ladungsbild einem kantenbezogenen zerstörenden
Kopierprozeß zugeführt wird. Außerdem wäre auch die Rechnerauswertung eines bestehenden
Ladungsbildes möglich.
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In der Abhandlung "Development of A Large-Area Solid-State image receptor
for X-ray-images von Moshe Ein-Gal im Technical Annual Report, Nr. 1-CB-74211-35,
Oktober 1978 der Fa. Xerox ist ein Verfahren einer zerstörungsfreien Abtastung von
Ladungsbildern durch ein Array aus Gleichpotentialsonden einer Meßvorrichtung unter
Ausnutzung der Influenz beschrieben. Dabei dienen 128 Koaxdrähte als berührungslos
wirkende Influenzpotentialsonden. Diese sind dann an geeignete Elektrometerverstärker
kontaktiert, von denen Ausgangssignale in Multiplextechnik nach analog-digitaler
Wandlung einem Rechner zur Verarbeitung zugeführt werden können. Dabei ist aber
durch die Größe der diskreten Bauelemente und die Vielzahl der Kabel die Länge und
Auflösung der Sensorreihe begrenzt, so daß eine Abtastung in x-y-Bewegung
erforderlich
wird. Der Nachteil dieses Systems ist eine extreme Empfindlichkeit gegenüber äußeren
Einwirkungen (Mikrofonieempfindlichkeit) wegen der Zwischen schaltung der langen
Kabel sowie ein unruhiges Arseiten der Empfängeranordnung.
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Gemäß dem Hauptpatent, DE-PT 31 21 494, wurde daher vorgeschlagen,
das Problem der zerstörungsfreien Erfassung des elektrischen Ladungsbildmusters
durch eine einfachere und genauer arbeitende Meßanordnung zu lösen, welche dadurch
gekennzeichnet ist, daß eine Matrix von integrierten MOS-Halbleiterbauelementen
vorgesehen ist, welche mit einem Floating-Gate oder einem geschalteten Floating-Gate
mit Hilfe des Influenz-Effektes in der Lage sind, durch variable Leitfähigkeit des
jeweiligen örtlichen Ladungszustand zu erkennen und gleichzeitig elektrisch zu verstärken.
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Beide Systeme, das vorbekannte und das vorgeschlagene, arbeiten mit
stationären Sonden, bei denen für eine Gleichpotentialmessung zur Erkennung festsitzender
Ladung eine strikte Abhängigkeit der Meßergebnisse von der Entfernung vom geladenen
Objekt vorliegt. Dies führt zu einer Erschwernis der Erkennung von inhomogenen Feldern
und hohen Fertigungstoleranzen zur Einhaltung eines konstanten Abstandes der Probe.
Außerdem ist keine Abtrennung eines untergrundigen Gleichspannungspotentials bei
Überlagerung durch ein ortsabhängiges variables Potential möglich und die notwendigen
hochohmigen statischen Elektrometerverstärker sind mit Drift, Offset und Mikrofonie
behaftet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine hochauflösende Auswertung des elektronischen
Ladungsbildes ohne dessen Zerstörung zu ermöglichen und
dabei eine
Abhängigkeit von Abstands schwankungen zwischen dem Ladungsbild und den Sonden aufgrund
mechanischer Toleranzen zu eliminieren, ebenso wie Probleme mit Drift- und Offset-Spannungen
der Ladungsverstärker.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung dynamischer Potentialsonden
(Kelvin-Sonden; vgl. z.B. Many, Goldstein und Grover "Semiconductor surfaces", Seiten
273/274, North Holland publishing company 1971) wird erreicht, daß Abstandsschwankungen
zwischen dem Ladungsbild und den Sonden mit einem geeigneten postprocessing, etwa
mit Spitzendetektoren, eliminiert werden können und daß Probleme mit Drift- und
Offset-Spannungen der Ladungsverstärker sowie äußere Mikrofonie wegen der Möglichkeit,
im kHz-Bereich zu arbeiten, entfallen können.
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Nach der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zur elektronischen
Abtastung von Ladungsbildern ein dynamisch arbeitendes Sonden-Array zu verwenden.
Dieses Array kann die Form nebeneinander in einer Zeile liegender Sonden haben,
die linear über das Ladungsbild bewegt werden, so daß mit ihm Zeile für Zeile des
Bildes abgetastet werden kann.
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Das Abtasten der Bildpunkte in einer Zeile kann auch gruppenweise
seriell erfolgen. Die Zahl der benötigten Meßverstärker kann dadurch wesentlich
reduziert werden, weil dann immer nur für eine Gruppe ein Meßverstärker benötigt
wird. In einer Zeile, die entsprechend 1000 Bildpunkten 1000 Sonden enthält, kann
eine Unterteilung in 100 Gruppen zu je 10 Bildpunkten erfolgen. Statt 1000 Meßverstärker
sind dann nur noch 100 notwendig. Die Sonden jeder Gruppe können parallelge-
schaltet
und nacheinander zur Wirkung gebracht werden, indem sie nacheinander zum Schwingen
angeregt werden.
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Als Antriebsmotor für die Schwingungen können piezoelektrische Wandler
verwendet werden. Diese Wandler können sowohl als Dickenschwinger als auch als Biegeschwinger
(Zungenschwinger) angewandt werden. Die erstgenannte Antriebsart ist anwendbar bis
zu 100 kHz, während die zweite für einen Antrieb von etwa 1 bis 10 kHz vorteilhaft
ist.
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Aus den von den Sonden abgeleiteten Potential- oder Feldstärkewerten
können nach Verstärkung in an sich bekannter Weise Bildsignale, etwa Fernsehsignale,
erhalten werden, die in ebenfalls bekannter Weise etwa auf Bildschirmen oder anderen
elektronischen Abbildungssystemen sichtbar gemacht und dabei in ihren bildwesentlichen
Details, wie Kontrast, Helligkeit, Abbildungsmaßstab etc., optimiert bzw. speziellen
Gegebenheiten angepaßt werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
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In der Figur 1 ist ein schematisches Schaubild einer erfindungsgemäß
ausgestalteten Abtastvorrichtung gezeichnet, in der Figur 2 eine detailliertere
Darstellung der Anordnung der Sonden in Gruppen, in den Figuren 3 und 4 ein Längs-
und ein Querschnitt durch die Sonden, in den Figuren 5 und 6 eine Draufsicht und
eine Queransicht der Sondenanordnung,
in den Figuren 7 und 8 die
Längsaußenseiten einer Sonde, in den Figuren 9 bis 12 die Halterung und der Aufbau
einer durch Biegeschwingung angetriebenen Sonde und in der Figur 13 eine Anordnung,
bei welcher die Sonden nur zur Zeilenabtastung und die Bildplatte zur Erzeugung
der Schwingungen ausgestaltet sind, in der Figur 14 ist in einem Diagramm die Abhängigkeit
des Signals von der Schwingungsamplitude dargestellt.
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In der Figur 1 ist mit 10 eine Aufnahmeplatte bezeichnet, die aus
einer Trägerplatte 11 aus Aluminium und einer Fotoleiterschicht 12 aus Selen besteht.
Auf der freien Oberfläche der Schicht 12 befindet sich ein elektrostatisches Ladungsbild,
welches mittels Sonden 13 abgetastet werden soll. Die Sonden 13 sind in einer gestrichelt
angedeuteten Zeile 14 in einem Abstand von 10 bis 100/um vor der Schicht 12 nebeneinander
angeordnet und umfassen eine Anzahl von 1 bis n. Die Sonden 13 selbst bestehen aus
einer 1/um dicken, 100/um langen und 100/um breiten Elektrodenschicht 15 aus Silber
(Ag) und einer 100/um dicken, in ihren übrigen Abmessungen mit 15 übereinstimmenden,
elektrisch isolierenden Unterlage 16, die aus Aluminiumoxid (Al203) besteht. Gegenüber
der Elektrode 15 ist an der Unterlage 16 eine 10/um dicke, elektrisch leitfähige
Schicht 17 aus Ag angebracht, die über eine Leitung 18 auf Erdpotential liegt. Jede
Sonde 13 ist auch noch mit einem bekannten Piezoschwinger 19 verbunden, der eine
Elektrode 20 trägt, die über eine Leitung 21 an einem Oszillator 22
liegt.
Die Elektrode 15 der Anordnung ist außerdem über eine Leitung 23 mit einem Verstärker
24 verbunden, der eine Ableitung 25 besitzt, die zu einer Signalverarbeitung führt.
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In der Figur 1 sind nur die erste und die letzte Abtastsonde der jeweils
aus den Teilen 15 bis 20 bestehenden Sonden dargestellt und mit 1 bzw. mit n bezeichnet.
Entlang der gestrichelten Linie 14 befinden sich die zwischen 1 und n fehlenden
Sonden, die ebenso aufgebaut sind wie die beiden ausgeführten Sonden 1 und n. In
vorliegendem Beispiel, bei dem die Platte 10 eine Breite und eine Länge von je 300
mm hat, ist eine Anzahl von 300 Sonden benutzt, so daß n = 300. Zur Erzeugung eines
Abtastsignals erfolgt mittels des Piezoschwingers 19, der über den Oszillator 22
angeregt wird, eine Schwingung, wie sie durch einen Doppelpfeil 26 angedeutet ist.
Die Einschaltung der Sonden erfolgt entsprechend einer Abtastung nacheinander durch
Einschaltung der Oszillatoren 221 bis 22m. in ergibt sich im Beispiel nach Figur
1 zu m = n. Wenn eine Zeile abgeschlossen ist, erfolgt eine Verschiebung der Anordnung
der Sondenzeile in Richtung des Pfeiles 27 um eine Zeile, wie durch die Striche
28 am rechten Rand der Anordnung unterhalb der Platte 10 angedeutet. So kann die
ganze Fläche der das zu vermessende Bild speichernden Selenschicht 12 respektive
das darauf ruhende Elektronenbild abgetastet werden.
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Während bei der Anordnung nach Figur 1 jeder Sonde 13 sowohl ein Oszillator
221 bis 22m als auch ein Verstärker 241 bis 24m zugeordnet sind, erfolgt bei einer
Ausbildung nach Figur 2 eine Zusammenfassung der Sonden mit ihren Teilen 15 bis
20 zu Gruppen. Außerdem ist nur ein Oszillator 22' vorhanden, der für alle Antriebe
übereinstimmende Schwingungen garantiert. Die Einschal-
tung der
Sonden erfolgt durch ihren jeweiligen Anschluß an den Oszillator 22' über Schalter
301, 302 bis 30uns mit denen jeweils der zugehörige Elektrodenantrieb 191 bis 19n
der jeweiligen Gruppe von Sonden und damit die zugehörige Elektrode 151 bis 15n
in Betrieb kommen.
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Uber die jeder Sondengruppe zugeordneten Verstärker 241 bis 24m wird
dann jeweils ein Signal für das zur eingeschalteten Sonde 151 bis 15n der jeweiligen
Gruppe gehörende Feld der Oberfläche der Selenschicht 12 abgegeben. Im Beispiel
nach Figur 2 ist n> in, indem n = 300 und m = 10.
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Bei dem in Figur 3 gezeichneten Schnitt ist der Aufbau der aus den
Teilen 15 bis 20 bestehenden Sonden näher erläutert. Sie befinden sich in einem
im vorliegenden Beispiel 150/um betragenden Abstand a von der Oberfläche der Selenschicht
12 der Aufnahmeplatte 10. Die Elektroden 151 bis 15n haben dabei einen Durchmesser
von b = 200/um, so daß sich eine Auflösung von zwei Strichen pro mm ergibt. Außerdem
sind sie umgeben von einer durch einen Spalt von ihr getrennten Schirmelektrodenschicht
31.
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Letztere ist vorhanden zur Homogenisierung des Feldes und zur Verminderung
des Übersprechens von Kanal zu Kanal. Gegenüber der Schicht 12 liegen die Mittelpunkte
der Elektroden 151 bis 15n jeweils in einem Abstand von 100/um. Diese Abstände sind
in den Figuren 3 und 4 jeweils mit /2 bezeichnet, d.h. sie sind in der x- und in
der y-Richtung gleich.
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In den Figuren 5 bis 7 sind Ausbildungen der gemäß Figur 1 bis 4 zu
verwendenden Sonden 32 gezeichnet, die in einer Halterung 33 fixiert sind. Sie weisen
jeweils eine Breite 34 von 0,25 mm und einen Abstand 35 von 0,05 mm voneinander
auf bei einer Länge von 10 mm. Ihre
Dicke 36 quer zur Anordnung
nebeneinander ist, wie aus der Figur 6 ersichtlich, größer als ihre Breite und bedeckt
0,5 mm. Jede Sonde ist, wie aus den Figuren 7 und 8 ersichtlich, aus einem Kern
37 aus Piezokeramik hergestellt, der mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 38
zu einem Teil umgeben ist, die auf Erdpotential liegt,und zum übrigen mit einer
Elektrode 39, mit der die Ansteuerung vom Oszillator 22 her erfolgen kann.
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An der Außenseite einer über den Belegungen 38 und 39 liegenden Isolierschicht
40 befindet sich eine abschirmende leitfähige Belegung 41. Die Figur 7 stellt eine
Ansicht der einander zugekehrten Seiten der Sonden 32 dar, während in der Figur
8 eine Draufsicht von den Schmalseiten her gezeichnet ist. Darin ist ersichtlich
eine Zuleitungsbelegung 42 der an der Stirnseite liegenden Sond 15 und die seitlich
davon liegenden Abschirmbelegungen 41.
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In den Figuren 9 bis 12 sind die entsprechenden Details für einen
Biegeschwinger als Antrieb für die Sonde in mit den Figuren 5 bis 8 übereinstimmenden
Bezugszahlen, die mit ' versehen sind, dargestellt. In einer Halterung 33' sind
die Sonden 32' befestigt. Sie weisen jeweils eine Länge von 10 mm auf bei einer
Breite von 0,25 mm und einem Abstand von jeweils 0,5 mm. In Schwingungsrichtung
weisen die Sonden 0,4 mm Dicke auf. Sie bestehen aus Piezokeramikfolien 37' und
37", die an einer Ansteuerelektrode 42' aneinanderliegen. An ihrer Außenseite sind
die beiden Keramikfolien mit einer Elektrodenschicht umgeben, die auf Erdpotential
liegt.
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Umgeben ist dann die Schwingeranordnung mit einer Isolierschicht 40',
die an ihrer Außenseite die Sondenabschirmelektrode 41' trägt. An ihrer der Abtastschicht
zugekehrten Seite trägt die Sonde neben der Abschirmbelegung 41' eine Sondenbelegung
15' und eine Sondenzuleitungsbelegung 42'.
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In der Figur 13 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher die in
einer Zeile 14' angeordneten Sonden 15" fest angeordnet sind. Dafür sind an der
Platte 10' jeweils in einer Ecke ein Motor 43, 44, 45 und 46 angeordnet, mit welchem
die ganze Platte 10 in Schwingungen entsprechend der Darstellung durch den Doppelpfeil
26' versetzt werden kann. Dadurch werden in allen Sonden 15 " Signale erzeugt, die
über die Leitungen 23 und die Verstärker 24' abgeleitet werden können. Die Bewegung
der Zeile erfolgt dann entsprechend der Anordnung durch den Pfeil 27'.
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In der Figur 14 sind in einem Diagramm an der Ordinate das Influenzpotential
und der Abstand an der Abszisse aufgetragen. Die Werte wurden erhalten unter Verwendung
eines Antriebs der Sonde 13 mit einem Schwingungshub von 20/um, einer Frequenz von
10 kHz bei einer auf der Platte 10 auszumessenden Feldverteilung von 100V, von der
die Sonde 13 einen Abstand von 100/u hat. Aus den in Figur 14 erhaltenen Werten
ist ersichtlich, daß in einem homogenen Feld die vom Sensor 15 abgegebene Wechselspannung
nur vom Oberflächenpotential und vom Schwingungshub abhängig ist, nicht aber von
der Absolutlage im Feld. Toleranzen in der Abstandsentfernung von der Platte spielen
daher näherungsweise keine Rolle.
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Ferner kann der Absolutwert des DC-Potentials kapazitiv abgekoppelt
werden.
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Im Fall eines inhomogenen Feldes läßt sich durch eine dynamische Abtastung
eine relativ große Entfernungsunabhängigkeit erreichen, wenn man nur die Schwingungselongationen
genügend groß wählt, z.B. mindestens 1/10 des Abstandes der Platte 10 von den Sensoren
15.
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14 Figuren 10 Patentansprüche