一維PSD位移測(cè)量設(shè)計(jì)(光電檢測(cè)課設(shè))

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1、實(shí)用摘要1一、引言2二、基本原理3三、結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理3四、位移測(cè)量設(shè)計(jì)41、一維PSD位移測(cè)量原理52、一維PSD轉(zhuǎn)換電路及分析6五、結(jié)論分析6參考文獻(xiàn)8文檔實(shí)用摘要半導(dǎo)體光電位置傳感器（即PSD）是一種基于橫向光電效應(yīng)的新型半導(dǎo)體光電位置敏感傳感器。它除了具有光電二極管陣列和CCD的定位性能外，還具有靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、電路配置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而被人們所重視。PSD的發(fā)展趨勢(shì)是高分辨率、高線性度、快響應(yīng)、及信號(hào)采集處理等多功能集成。本文基于一維PSD位置傳感器非接觸性測(cè)量物體位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)PSD的簡(jiǎn)單應(yīng)用。關(guān)鍵詞：半

2、導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)PSD位置傳感器轉(zhuǎn)換電路一維PSD非接觸性位移測(cè)量文檔實(shí)用文檔實(shí)用一、引言半導(dǎo)體光電位置傳感器(即PSD：PositionSensitiveDevice)是一種光電測(cè)距器件。它除了具有光電二極管陣列和CCD的定位性歪，還具有靈敏度高，分辨率高，響應(yīng)速度快及信號(hào)采集處理等多功能集成。PSD基于非均勻半導(dǎo)體"橫向光電效應(yīng)"，達(dá)到器件對(duì)入射光或粒子位置敏感。PSD由四部分組成：PSD傳感器、電子處理元件、半導(dǎo)體激光源、支架（固定PSD光傳感器與激光光源相對(duì)位置）。PSD的主要特點(diǎn)是位置分辨率高、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范

3、圍寬、可靠性高，處理電路簡(jiǎn)單、光敏面內(nèi)無盲區(qū)，可同時(shí)檢測(cè)位置的光強(qiáng),測(cè)量結(jié)果與光斑尺寸和形狀無關(guān)。由于其具有特有的性能，因而能獲得目標(biāo)位置連續(xù)變化的信號(hào)，在位置、位移、距離、角度及其相關(guān)量的檢測(cè)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。在PSD光電實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)讀出電壓值的變化，可以知道物體的運(yùn)動(dòng)變化，從而達(dá)到了解光電傳感器的構(gòu)造原理和電子線路的設(shè)計(jì)與實(shí)踐、運(yùn)算放大器的應(yīng)用。由于其具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量物體時(shí)，即使測(cè)量物體位置有微小的變化，電壓值都會(huì)有很明顯的變化。二、基本原理PSD是一種基于非均勻半導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)的、對(duì)入射光或粒子位置敏感的

4、光電器件。文檔實(shí)用PSD的光敏面能將光點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，當(dāng)一束光射到PSD的光敏面上時(shí)，在同一面上的不同電極之間將會(huì)有電流流過，這種電壓或電流隨著光點(diǎn)的位置變化的現(xiàn)象時(shí)半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)。因此利用PSD的PN結(jié)上的橫向光電效應(yīng)可以檢測(cè)入射光點(diǎn)的照射位置。它不想傳統(tǒng)的硅光電探測(cè)器那樣，只能作為光電轉(zhuǎn)換，光電耦合，光接收和光強(qiáng)測(cè)量等方面的應(yīng)用，而能直接用來測(cè)量位置、距離、高度、角度、和運(yùn)動(dòng)軌跡。它的P－N結(jié)結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、光電轉(zhuǎn)換原理等與普通光敏二極管類似，但它的工作原理與普通光敏二極管完全不同。普通光敏二極管是基于P-N結(jié)或

5、肖特基結(jié)的縱向光電效應(yīng)，而PSD是基于P-N結(jié)或肖特基結(jié)的橫向光電效應(yīng)，事實(shí)上是縱向光電效應(yīng)和橫向光電效應(yīng)的綜合。普通光敏二極管通過光電流的大小反應(yīng)入射光的強(qiáng)弱，是光電轉(zhuǎn)換器件和控制器件。而位置敏感探測(cè)器（PSD）不僅是光電轉(zhuǎn)換器，更重要的是光電流分配器件，通過合理設(shè)置分流層和收集電流的電極，根據(jù)各電極上收集到的電流信號(hào)的比例確定入射光的位置。從這個(gè)意義上說，PSD是普通光敏二極管進(jìn)一步細(xì)化的產(chǎn)品?；赑IN二極管型的PSD相當(dāng)于在P-N結(jié)構(gòu)的P層與N層之間插入高阻本征層（I層），當(dāng)加不太大的反偏電壓時(shí)I層就己全部耗盡，于是勢(shì)

6、壘寬度大大增加。而在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)有接近I的量子效率和飽和載流子運(yùn)動(dòng)，且勢(shì)壘區(qū)寬度可減小勢(shì)壘電容。因此，I層的引入可以顯著地縮短器件的響應(yīng)時(shí)間。PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測(cè)定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，二維PSD可測(cè)光點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)。三、結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理如圖l所示。PSD由P、I、N三層構(gòu)成，最上一層是P層，P層為感光面，文檔實(shí)用下層為N層，中間插入較厚的高阻I層，形成P-I-N結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是I層的耗盡層較寬、結(jié)電容較小，光生電流子幾乎全部都在I層耗盡層區(qū)中產(chǎn)生，沒有擴(kuò)散分量的光電流，因此兩邊各有一個(gè)信號(hào)輸出電

7、極；I區(qū)較厚但具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，更高的靈敏度和響應(yīng)速度；底層N引出一個(gè)公共電極，用來加反偏電壓。由于反向偏置下的PSD性能優(yōu)于零偏狀態(tài)下PSD的性能，在應(yīng)用中將PSD處于反向偏置狀態(tài)。（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）等效電路圖圖1PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路當(dāng)入射光點(diǎn)照射到PSD光敏面上某一點(diǎn)時(shí)，假設(shè)產(chǎn)生的總的光生電流為I0。由于在入射光點(diǎn)到信號(hào)電極間存在橫向電勢(shì)，若在兩個(gè)信號(hào)電極上接上負(fù)載電阻，光電流將分別流向兩個(gè)信號(hào)電極，從而從信號(hào)電極上分別得到光電流I1和I2。顯然，I1和I2之和等于光生電流I0，而I1和I2的分流關(guān)系取決于入射

8、光點(diǎn)位置到兩個(gè)信號(hào)電極間的等效電阻R1和R2。如果PSD表面層的電阻是均勻的，則PSD的等效電路為圖1（b）所示，其中R1和R2的值取決于入射光點(diǎn)的位置。假設(shè)負(fù)載電阻RL阻值相對(duì)于R1和R2可以忽略，則有：（1-1）文檔實(shí)用式中，L為PSD中點(diǎn)到信號(hào)電極的距離，x為入射光點(diǎn)距