传感器10.ppt

4.光电位置敏感器件（PSD） 半导体位置探测器（Position Sensitive Detector）简称为PSD，它能连续准确地给出入射光点在光敏面上的位置。 PSD分为一维PSD和二维PSD，分别可确定光点的一维位置坐标和二维位置坐标。 1）PSD的工作原理 如图所示，其PN结是由重掺杂的P+ 型半导体和轻掺杂的N型半导体构成，和一般的PN结一样，由于载流子扩散，在结区建立一个与结面垂直的由N指向P+的自建内电场。但由于P+ 为重掺杂，载流子密度大，故电导率比N区高。因此当入射光照射A点时，光生载流电子和空穴集中在A点附近的结区，在自建场作用下，空穴进入P+区，由于电导率高而很快扩散到整个P+ 区，成为P+ 近位等电区位，而在A点附近N区的电子，由于其电导率低而不易扩散，仍集中在A点附近，具有高的负电位，因此形成一个平行于结面的横向电场，常称为横向光电效应。 实用的PSD不是简单的P+N结，而是做成P+IN结构，具有—般PIN光电二极管类似的优点，即由于I区较厚而具有更高的光电转换效率、更高的灵敏度和响应速度。其工作原理仍是基于横向光电效应。如图所示，表面P+层为感光面，两边各有一信号输出电极，中间为I层，底层的公共电极是用来加反偏电压的。当入射光照射到光敏面上某点，由于存在平行于结面的横向电场作用，便光生载流子形成向两端电极流动的电流I1和I2，它们之和等于总电流I0。如果PSD面电阻是均匀的，且其阻值R1和R2远大于负载电阻RL，则R1和R2的值仅取决于光电的位置，即 L ——PSD中点到信号电极间的距离； x ——入射光点距PSD中点距离 将I0=I1+I2代入，得 若将两个信号电极的输出电流检出后作如下处理，即 Px只和光点位置有关，而和入射光强I0无关 2）PSD的结构与特性 （1）一维 PSD的结构 一维PSD的结构及等效电路如图所示，其中VDj为理想的二极管，Cj为结电容，Rsh为并联电阻，Rp为感光层（P层）的等效电阻。一维PSD的输出与入射光点位置之间的关系如图所示，其中x1、x2分别表示信号电极的输出信号（光电流）。 （2）二维 PSD的结构 二维PSD用于测定入射光点的二维坐标，即在一方形结构PSD上有两对互相垂直的输出电极。由于电极的引出方法不同，二维 PSD可分为由同一面引出两对电极的表面分流型二维PSD和由上下两面分别引出一对电极的两面分流型二维 PSD。它们的结构及等效电路如图所示。 Xl、X2、Yl、Y2分别为各电极的输出信号光电流，x、y为入射光点的位置坐标，表面分流型PSD暗电流小，但位置输出非线性误差大；两面分流型PSD线性好，但暗电流大，且由于无法引出公共电极而较难加上反偏电压。 对于表面分流型和两面分流型PSD，其输出与入射光点位置的关系如图所示，其关系式为 （3）PSD的特性 PSD与CCD都可以作为光点位置的探测，但PSD有自身的特点，在许多情况下，更适合于作专用的位置探测器，其突出的特点有： ① 入射光强度和光斑大小对位置探测影响小。 PSD的位置输出只与入射光点的“重心”位置有关，而与光点尺寸大小无关，这一显著优点给使用带来很大的方便，但应注意当光点接近光敏面边缘时，部分落在光敏面外，就会产生误差，光点越靠近边缘，误差就越大。为了减小边缘效应，应尽量将光斑缩小，且最好使用敏感面中央部分。 ② 反偏压对PSD的影响 反偏压有利于提高感光灵敏度和动态响应，但会使暗电流有所增加。 ③ 背景光强影响 背景光强度变化会影响位置输出误差。消除背景光影响的方法有两种，即光学法和电学法。 ④ 环境温度的影响 使用环境温度上升时，暗电流将增大。实验表明，温度上升1℃，暗电流增大1.15倍。这除采用温度补偿方法外，还可采用光源调制、锁相放大解调的方式滤去暗电流的影响。 10.3 光电式传感器的类型及设计（详见教科书） 10.4 光电式传感器的应用 1.光电式转速传感器: 光电式转速传感器的工作原理如图所示。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的调制盘，在调制盘一边由发光管产生恒定光，透过调制盘上的小孔到达由光敏晶体管组成的光电转换器件上，转换成相应的电脉冲信号，经放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。图（b）是在待测转速轴