光电位置传感器PSD特性及其应用

光电位置传感器PSD特性及其应用 第24卷第4-5期 2002年8月 光学仪器 OPTICALINSTRUMENTS Vol_24.No.4—5 August,2002 文章编号:1005—5630(2002)4/5—0030—04 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310027) 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:TP212.14文献标识码:A CharacterisiticsOfOptOelectrOnicpositionsensitivedetectoranditsapplication ZENGChao,LIFeng,xUXiang—dong (StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou3 10027,China) Abstract:Thearchitecture,principleandcharactersofpositionsensitivedetectorareanalyze dand outlinedinthepaper.TheapplicationofPSDintwo— dimensionpositionmeasurementisintroduced.The systemerrorsarealsoanalyzed. Keywords:positionsensitivedetector,optoelectronicdevice 1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. 2二维PSD的结构和工作原理 图1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P—I—N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:2002—06—30 作者简介:曾超(1977一),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4-5期曾超等:光电位置传感器PSD特性及其应用?31? 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: (1)当坐标原点选在PSD中心时: Il一.(L—X/1)/2L I2一I.(L+X/1)/2L (2)当坐标原点选在PSD一端时: , Il一o(2L—XB)/2L I2一oXB12L i一光电流i:八上' l!lI一IIK 一,L—一 P层 I层 N层 (1) (2) (3) (4) 图1PSD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(2一I1)/(2+I1)(5) 当坐标原点选在PSD一端时: XB一2LI2/(2+1)(6) 只要检测出和的大小,即可以算出光点所在的位置. 3二维PSD在定位测量中的应用 3.1二维方形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2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): 5yl 图2二维PSD原理示意图 x2一x1z — X2+—X1=—L—(7) ? 32?光学仪器第24卷 一 芒?Y,+YL, 3.2二维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3所示:对准物体1的中心装有一高亮度的发光二级管2,PSD传感器4安装于微动 工作平台上;二极管发出的光束经过光学系统3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5转换为电信号.然后,通过A/D采样6,送入到计算机7进 行处理.从而确定PSD对准物体平面上某一点的位置. 图3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. 3.3PSD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4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A/D转换进行处理;该电路中主要包括电流电压转换器(U1A,U2A)和电 压放大器(U1B,U2B). 3.4测量结果与误差分析 图4x方向放大电路图 第4-5期曾超等:光电位置传感器PSD特性及其应用'33' 将A/D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5和图6所示的特性曲线 (加载电压为5V的情况下): 图5x方向PSD特性曲线图图6Y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: (1)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2/3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. (2)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. 4结论 试验证明,二维PSD在75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. 5参考文献 [1]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,1997,20(3):259~262, [2]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,1994,18(i):4,7