摘要2一、引言3二、根本原理3三、結(jié)構(gòu)與測(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)換電路與分析6五、結(jié)論分析7參考文獻(xiàn)8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的開(kāi)展趨勢(shì)是高分辨率、高線(xiàn)性度、快響應(yīng)、與信號(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)速度快與信號(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由四局部組成：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)X圍寬、可靠性高，處理電路簡(jiǎn)單、光敏面內(nèi)無(wú)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(wú)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、角度與其相關(guān)量的檢測(cè)中獲得越來(lái)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(xiàn)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、 根本原理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光電器件。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(guò)，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(lái)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(lèi)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(guò)光電流的大小反響入射光的強(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(guò)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(shuō)，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)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)與測(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，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(méi)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(lái)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)?！瞐〔a〕結(jié)構(gòu)示意圖 〔b〕等效電路圖圖1PSD的結(jié)構(gòu)與等效電路國(guó)丄 口J＜口T劊m寸zx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10。由于在入射光點(diǎn)到信號(hào)電極間存在橫向電勢(shì)，假如在兩個(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I］和12。顯然，I］和12之和等于光生電流10，而I］和12的分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置到兩個(gè)信號(hào)電極間的等效電阻R］和R2。如果PSD外表層的電阻是均勻的，如此PSD的等效電路為圖1〔b〕所示，其中$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R］和R2可以忽略，如此有：〔1-1〕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PSD中點(diǎn)的距離。式〔1-1〕明確，兩個(gè)信號(hào)電極的輸出光電流之比為入射光點(diǎn)到該電極間距離之比的倒數(shù)。將I0=I］+I2與式〔1.1.1〕聯(lián)立得：比〔1-2〕從以上兩式可以看出，當(dāng)入射光點(diǎn)位置固定時(shí)，PSD的單個(gè)電極輸出電流與入射光強(qiáng)度成正比。而當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，單個(gè)電極的輸出電流與入射光點(diǎn)距PSD中心的距離x呈線(xiàn)性關(guān)系。假如將兩個(gè)信號(hào)電極的輸出電流作如下處理：〔1-4〕如此得到的結(jié)果只與光點(diǎn)的位置坐標(biāo)x有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，此時(shí)PSD就成為僅對(duì)入射光點(diǎn)位置敏感的器件。匕稱(chēng)為一維PSD的位置輸出信號(hào)。四、位移測(cè)量設(shè)計(jì)1、一維PSD位移測(cè)量原理B5位移檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)里頭驗(yàn)裝蠱團(tuán)設(shè)被測(cè)面在沿會(huì)聚透鏡激光軸軸方向的移動(dòng)前光點(diǎn)的位置為X2,,對(duì)應(yīng)物面位置為y2，移動(dòng)后光點(diǎn)的位置為x1，對(duì)應(yīng)物面位置為y1，x1，x2，可由式分別計(jì)算求出，進(jìn)而計(jì)算出y1和y2，如此物面位移△可表示為△=y-y2.式中do為會(huì)聚透鏡激光軸和接收透鏡光軸的交點(diǎn)到接收透鏡物方主面的距

離；dl接收透鏡像方主面到成像中心點(diǎn)的距離；。為激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角；Y為PSD敏感面與接收透鏡光軸的夾角，使PSD工作面與像面重合，保證了對(duì)于工作X圍內(nèi)不同的位移，像點(diǎn)沿著PSD工作面移動(dòng)。其中，do,d1, 0,Y在光學(xué)設(shè)計(jì)和加工后已經(jīng)確定，是量,可見(jiàn)只要準(zhǔn)確測(cè)量，即準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)面移動(dòng) 前后的PSD兩極輸出電流，就可以由式計(jì)算出被測(cè)面的位移量，實(shí)現(xiàn)被測(cè)面的微位移、粗糙度等的非接觸檢測(cè)。而準(zhǔn)確測(cè)量PSD兩極電流的關(guān)鍵就是前置放大電路的設(shè)計(jì)。口m）的光斑成像于PSD敏感外表上x(chóng)處,PSD上將產(chǎn)生相應(yīng)的光電流信號(hào),經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路處理進(jìn)而經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出被測(cè)物體的距離d.口m）,記錄每次輸出。表5給出在實(shí)驗(yàn)物距離約為3cm,像相距約為115cm,量程為±0.5mm的實(shí)驗(yàn)條件下，每移10uum,非線(xiàn)性誤差為0.112%,滿(mǎn)足一般較精細(xì)的位移、圓度誤差、振動(dòng)等的測(cè)量,具有較優(yōu)良的性能.2、一維PSD轉(zhuǎn)換電路與分析一維PSD轉(zhuǎn)換電路原理圖一維PSD轉(zhuǎn)換電路原理圖根據(jù)PSD原理與光點(diǎn)位置〔x,y〕的表達(dá)式，轉(zhuǎn)換電路首先應(yīng)對(duì)PSD輸出的光點(diǎn)流進(jìn)展電流-電壓轉(zhuǎn)換放大，再按轉(zhuǎn)換公式的要求，通過(guò)加、減運(yùn)算放大器進(jìn)展預(yù)置相加和相減運(yùn)算，最后通過(guò)模擬除法器相除，得到與光能大小無(wú)關(guān)的位置信號(hào)。圖中Rf之取決于輸入電平的大??；V6、V13、V14為模擬除法器；Ai為低漂移運(yùn)算放大器。對(duì)準(zhǔn)物體的中心裝有一高的發(fā)光二級(jí)管，PSD傳感器安裝于微動(dòng)。工作平臺(tái)上；二極管發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，將光點(diǎn)成像于放置在透鏡焦平面上的PSD的接收光敏面上，這個(gè)光點(diǎn)信號(hào)經(jīng)過(guò)前置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。然后，通過(guò)A/D采樣，送入到計(jì)算機(jī)進(jìn)展處理。從而確定PSD對(duì)準(zhǔn)物體平面上某一點(diǎn)的位置。當(dāng)對(duì)準(zhǔn)位置在測(cè)量X圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，光斑與PSD兩電極間的距離發(fā)生變化，使兩電極輸出電流隨其光斑位置的變化而變化，因此通過(guò)測(cè)定傳感器兩電極輸出電流的大小，便可知道PSD與對(duì)準(zhǔn)物體平面上的某一點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)。五、結(jié)論分析從得出的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)存在一定的非線(xiàn)性因素，也是造成系統(tǒng)測(cè)量誤差的主要原因，而造成系統(tǒng)非線(xiàn)性的主要原因有以下幾點(diǎn)：(1)PSD器件的非線(xiàn)性。由于PSD器件的固有特性決定其存在非線(xiàn)性,也是PSD的主要不足之處。它的線(xiàn)性度主要取決于在制造過(guò)程中外表擴(kuò)散層和底層材料電阻率的均勻性,以與有效的感光面積等多種因素,而且非線(xiàn)性并沒(méi)有準(zhǔn)確的公式作為依據(jù)。一般而言,在距離器件中心2?3的X圍內(nèi)的線(xiàn)性度較好。越靠近邊緣線(xiàn)性度越差。因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量選用線(xiàn)性度較好的區(qū)域,使其非線(xiàn)性限制在最小。(2)造成測(cè)量誤差的還有其它因素,如測(cè)試環(huán)境中產(chǎn)生的各種震動(dòng)和溫度的變化、以與處理電路的參數(shù)選擇等都需要我們采取必要的措施來(lái)克制;從而提高試驗(yàn)精度。參考文獻(xiàn)[1]王國(guó)梅，萬(wàn)發(fā)榮?材料物理.[M]某某理工大學(xué),2004.江文杰，施建華?光電技術(shù).[M]科學(xué)，2009雷玉堂，葉聲華.光電檢測(cè)技術(shù).中國(guó)計(jì)量，2009浦昭邦.光電測(cè)試技術(shù).：機(jī)械工業(yè)，2009課程設(shè)計(jì)〔論文〕任務(wù)書(shū)學(xué) 院理學(xué)院專(zhuān) 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生某某許昊班級(jí)學(xué)號(hào)1109020222課程名稱(chēng)光電檢測(cè)原理與技術(shù) 課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)〔論文〕題目利用PSD傳感器測(cè)量物體的位移

設(shè)計(jì)目的：了解光電檢測(cè)的根本原理與方法，利用PSD傳感器測(cè)量物體的位移。設(shè)計(jì)任務(wù)：選擇適當(dāng)?shù)腜SD傳感器測(cè)量物體的位移設(shè)計(jì)要求〔技術(shù)參數(shù)