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光电位置传感器PSD特性及其应用.doc

光电位置传感器PSD特性及其应用

天边最后那一抹彩虹
2017-09-30 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《光电位置传感器PSD特性及其应用doc》,可适用于战略管理领域

光电位置传感器PSD特性及其应用第卷第期年月光学仪器OPTICALINSTRUMENTSVolNoAugust,文章编号:()光电位置传感器PSD特性及其应用曾超,李锋,徐向东(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,杭州)工作原理,特性进行了分析和概述并介绍了摘要:对光电位置传感器PSD的结构,PSD在二维定位测量中的应用最后分析了造成系统误差的主要原因关键词:住置传感器光电器件中图分类号:TP文献标识码:ACharacterisiticsOfOptOelectrOnicpositionsensitivedetectoranditsapplicationZENGChao,LIFeng,xUXiangdong(StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou,China)Abstract:Thearchitecture,principleandcharactersofpositionsensitivedetectorareanalyzedandoutlinedinthepaperTheapplicationofPSDintwodimensionpositionmeasurementisintroducedThesystemerrorsarealsoanalyzedKeywords:positionsensitivedetector,optoelectronicdevice引言高灵敏度光电位置传感器PSD(PositionSensitiveDetector)是一种新型的光电器件,或称为坐标光电池,它是一种非分割型器件,可将光敏面上的光点位置转化为电信号当一束光射到PSD的光敏面上时,在同一面上的不同电极之间将会有电流流过,这种电压或电流随着光点位置变化而变化的现象就是半导体的横向光电效应因此利用PSD的pn结上的横向光电效应可以来检测入射光点的照射位置它不像传统的硅光电探测器只能作为光电转换,光电耦合,光接收和光强测量等方面的应用而能直接用来测量位置,距离,高度,角度和运动轨迹等它与阵列式图像传感器也不一样,不像固态图像传感器的测量表面由于敏感单元有一定大小而存在死区PSD器件能连线检测光点的位置,没有死区分辨力高,适配电路简单等特点正日益引起人们的重视二维PSD的结构和工作原理图显示了其结构PSD由三层构成,最上一层PSD的工作原理基于横向光电效应,是P层,下层是N层,中间插入一较厚的高阻I层,形成PIN结构,此结构的特点是I层耗尽区宽,结电容小,光生载流子几乎全部都在I层耗尽区中产生,没有扩散分量的光电流,因此响应速度比普通pn结光电二极管要快得多当PSD表面受到光照射时,在光斑位置处产生比例于光能量的电子一空穴对流过P层电阻,分别从设置在P层相对的两个电极上输出光电流和,由于P层电阻是均匀的,电极输出的光电流反比于入}收稿日期:作者简介:曾超(一),男,云南昆明人,硕士研究生,从事光电位置传感器PSD的应用研究第期曾超等:光电位置传感器PSD特性及其应用射光斑位置到各自电极之间的距离,光电流和I可以用下面两种方式表示:()当坐标原点选在PSD中心时:Il一(LX)LI一I(LX)L()当坐标原点选在PSD一端时:,Il一o(LXB)LI一oXBLi一光电流i:八上'l!lI一IIK一,L一P层I层N层()()()()图PSD剖面图由上式可知,z是光能量()与位置的函数实际应用中,由于光源光功率的波动及光源与PSD间距离的变化,I并不是一个恒定值,为了消除I的影响,通常把输出电流的差与和相除作为位置检测信号,即:当坐标原点选在PSD中心时:X^一L(一I)(I)()当坐标原点选在PSD一端时:XB一LI()()只要检测出和的大小,即可以算出光点所在的位置二维PSD在定位测量中的应用二维方形PSD器件二维方形PSD器件在X,Y两个方向上的感光层是独立的,分别感受X,Y方向光点位置的变化,其原理示意图如图所示基于相同的工作原理,可以导出二维方形PSD器件的位置参数与电极上的电流关系表达式(坐标原点为器件中心):yl图二维PSD原理示意图x一xzXX=L()光学仪器第卷一芒Y,YL,二维PSD在定位系统中的应用将二维方形PSD应用于定位系统中,模拟PSD对准物体的过程,确定PSD与物体之间的相对位置其应用系统框图如图所示:对准物体的中心装有一高亮度的发光二级管,PSD传感器安装于微动工作平台上二极管发出的光束经过光学系统聚焦后,将光点成像于放置在透镜焦平面上的PSD的接收光敏面上,这个光点信号经过前置放大电路转换为电信号然后,通过AD采样,送入到计算机进行处理从而确定PSD对准物体平面上某一点的位置图应用系统框图当对准位置在测量范围内移动时,光斑与PSD两电极间的距离发生变化,使两电极输出电流随其光斑位置的变化而变化,因此通过测定传感器两电极输出电流的大小,便可知道PSD与对准物体平面上的某一点位置相对应PSD光电信号输出的适配电路PSD以光电流的形式输出两路信号和,由于对准物体平面与PSD之间有一定的距离,PSD光敏面上接收到的光能量较小,致使PSD输出的光电流极其微弱因而适配电路的设计对光电流的提取是至关重要的根据前文所述,将坐标原点设在PSD光敏面中心点,器件工作在反偏压和小信号条件下,在一般情况下,光点强度稳定时,可用如图所示的电路(图中只给出了X方向的电路示意图,Y方向电路与X方向电路相同),电路输出接AD转换进行处理该电路中主要包括电流电压转换器(UA,UA)和电压放大器(UB,UB)测量结果与误差分析图x方向放大电路图第期曾超等:光电位置传感器PSD特性及其应用''将AD采样的结果送入计算机进行进一步的处理并进行修正后得到如图和图所示的特性曲线(加载电压为V的情况下):图x方向PSD特性曲线图图Y方向PSD特性曲线图通过得出的试验结果来看,系统存在一定的非线性因素,也是造成系统测量误差的主要原因,而造成系统非线性的主要原因有以下几点:()PSD器件的非线性由于PSD器件的固有特性决定其存在非线性,也是PSD的主要不足之处它的线性度主要取决于在制造过程中表面扩散层和底层材料电阻率的均匀性,以及有效的感光面积等多种因素,而且非线性并没有准确的公式作为依据一般而言,在距离器件中心的范围内的线性度较好越靠近边缘线性度越差因此在实际应用中应尽量选用线性度较好的区域,使其非线性限制在最小()造成测量误差的还有其它因素,如测试环境中产生的各种震动和温度的变化,以及处理电路的参数选择等都需要我们采取必要的措施来克服从而提高试验精度结论试验证明,二维PSD在光敏面范围内线性都良好,后序的适配电路参数选择也是精度测量的重要环节该系统设备简单,成本低,而又达到了相当高的精度,并充分利用了PSD位置分辨力高,响应快的特点通过进一步的系统优化和改进,将可以应用到某些实际的领域中,有着广阔的发展前景参考文献张广军PSD器件及其在精密测量中的应用J北京航天航空大学,,():~,袁峰,施平,蒋祖军,黄鸿斌位敏传感器PSD应用系统的设计J哈尔滨科学技术大学,,(i):,

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