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PSD测小角度
PSD测小角度
摘要
本文对PSD器件的基本原理以及二维PSD器件的原理方法和性能特点做了介绍,同时对利用二维PSD器件用于二维小角度测量的实验结果也有较详细的分析论述。
PSD是一种能够连续监测光点位置的非分割型光电转换元件,目前常利用PSD位置传感器测试振动信号。它是一种模拟器件,具有响应时间快,外围电路简单,分辨率高以及不受入射光束和焦点偏离的影响等特点。以测量石英摆片的振动为例。石英摆片是加速度计的核心敏感元件,它广泛应用于航天、航空、航海等各种飞行器舰船的惯性导航、遥控、遥测系统中,因此对石英加速度计的性能提出了很高的要求,而石英摆片的各项参数,如几何尺寸、挠性刚度、摆动频率与振幅、扭动频率与振幅等都将对加速度计的性能产生影响。因此,实现对石英摆片各项参数的综合测试,是我们面临的新问题。基于PSD传感器的诸多优点,在了解其检测原理之后特设计一套检测系统以满足我们的测量要求。
随着传感技术、激光技术、精密仪器技术、电子技术等飞速的发展,目前国内外对倾斜角测量技术的要求越来越高,越来越要求功能齐、全实时在线、高可靠性、高速、高精度等。倾斜角测量技术将在建筑工程、空间技术、航空航天事业以及机械加工等方面有良好的应用前景。而PSD作为一种位置敏感探测器,凭借其自身的高响应度、高分辨率、信号处理简单等特点,在位移测量、三维运动测量、微小角度测量以及平行度测量中显示了广阔的应用前景,在测距系统、传感系统、光通信、信号处理等众多尖端领域被广泛青睐。本文所阐述的就是利用PSD对物体来进行二维小角度的测量。
自从1930年Schottkey发现了横向光电效应后,许多研究者对这种效应及其应用潜力作了深入的探讨,其中要数Wallmark和Lucovskey的贡献突出。Wallmark利用内部载流子传输理论基本解释了横向光电效应。而系统的解释并建立起横向光电效应方程的是Lucovskey,他从电流连续性方程出发,导出了著名的Lucoveskey方程,奠定了PSD的理论基础,后来,许多研究者对不同的边界条件作了阐述和分析如圆形边界、矩形边界、枕形边界等。
随后W.P.Connots以及Narust等人对其作了进一步的研究,六十年代迅速发展并逐渐成熟,七十年代发展了表面分割型和两面分割型器件,为了提高器件的参数性能,八十年代发展了表面改进分割型器件,九十年代表面改进分割型器件成为目前在测量领域主要应用的产品。
国外发展及研究情况:现如今美国、日本、英国等发达国家在PSD研究和制造方面已具有相当高的水平,其产品性能日趋完善,关于横向光电效应有许多文献。五十年代到八十年代主要是注重PSD特性研究及其从实验到产品开发阶段。关于位置敏感器件的专利申请在日本基本上都还是在九十年代初。所以在应用上不如CCD器件那样广泛被人们采用。根据我们所检测到的资料:日本滨松是PSD器件和相应的信号处理电路齐全的一家公司。八十年代后主要从事PSD研究工作有D.J.W.Noorlag博士,Achyut Kumer Dutta博士和Yoshinori Halanaka博士,A.kawasaki和M.Goto等。
国内有关PSD的报道最早出现在七十年代,当时也只是一些有关PSD原理及特性方面的报道,其大部分都是些译文、图、曲线参数都基本是介绍国外的。PSD器件及其应用方面的研究发展比较缓慢。有关光电检测技术,现代传感器技术,新型传感器等专业著作中,大都是在93年后出版的才有所介绍给出日本等国外产品性能。近年来国内PSD研究取得了一定的成果,国内已有自己的产品应用于各项测试检测中。
像一般的光电二极管一样,当入射光通过玻璃窗口到达PSD芯片敏感面时,在芯片的PN结内部,将会产生光电信号,如果有外电场作用,在器件的外部引出端上就会有光电信号输出。作为PSD器件所具有的特征来讲,这种光电信号与一般光电二极管的光电信号不同,它包含位置信息。因为在芯片PN结的P层或P层和N层两面为均匀电阻层,这种电阻层与位置的关系十分密切,当入射光入射到半导体芯片内部后,根据光生伏特效应,在PN结的两侧将产生数量相同的正负电荷,正电荷通过PN结流向P层,负电荷通过PN结流向N层。正电荷在P层中产生不均匀流动,分别到达两端输出电极,获得与电极距离成反比的输出电流信息。二维PSD器件的工作原理与一维器件相同,在一维PSD器件两电极的垂直方向在设置一对电极,就是二维PSD器件。表面P型电阻层的1、2和3、4两对电极提供X方向的位置信息,1、4和2、3两对电极提供Y方向的位置信息,光生电流在表面电阻薄层位置向四面八方流动,被一对或两对电极所收集,形成两个或四个电流分量,这些电流分量与总的光生电流有关,与光点位置和光强也有关。为了怕消除光点位置与光强度的依赖关系,必须把电流分量通过相应的运
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