Чувствительное к положению устройство

Позиционно -чувствительное устройство и/или позиционно-чувствительный детектор (PSD) представляет собой оптический датчик положения (OPS), который может измерять положение светового пятна в одном или двух измерениях на поверхности датчика.

Принципы

PSD можно разделить на два класса, которые работают по разным принципам: датчики первого класса имеют изотропную сенсорную поверхность, которая обеспечивает непрерывные данные о местоположении. Второй класс имеет дискретные датчики в растровой структуре на поверхности датчиков, которые передают локальные дискретные данные.

Изотропные датчики

Технический термин PSD был впервые использован в публикации Дж. Т. Уоллмарка в 1957 году для обозначения латерального фотоэлектрического эффекта, используемого для локальных измерений. В ламинарном полупроводнике так называемый PIN-диод подвергается воздействию крошечного пятна света. Это воздействие вызывает изменение местного сопротивления и, следовательно, потока электронов в четырех электродах. От течений $I_{a}$ , $I_{b}$ , $I_{c}$ и $I_{d}$ в электродах положение светового пятна рассчитывается с использованием следующих уравнений.

x=k_{x}\cdot {\frac {I_{b}-I_{d}}{I_{b}+I_{d}}}

и

y=k_{y}\cdot {\frac {I_{a}-I_{c}}{I_{a}+I_{c}}}

The $k_{x}$ и $k_{y}$ — это простые коэффициенты масштабирования, которые позволяют осуществлять преобразование в координаты.

Преимуществом этого процесса является непрерывное измерение положения светового пятна со скоростью измерения до более 100 кГц. Зависимость локального измерения от формы и размера светового пятна, а также нелинейная связь являются недостатком, который можно частично компенсировать специальной формой электродов.

2-D четырехстороннее позиционно-чувствительное устройство (PSD)

Двумерная четырехсторонняя PSD способна обеспечить непрерывную измерение положения падающего светового пятна в 2-D. Он состоит из одного квадратного PIN-диода с резистивным слоем. При попадании падающего света на активную область датчика генерируются фототоки, которые собираются с четырех электродов, расположенных вдоль каждой стороны квадрата вблизи границы. Положение падающего света можно оценить на основе токов, собираемых с электродов:

x=k_{x}\cdot {\frac {I_{4}-I_{3}}{I_{4}+I_{3}}}

и

y=k_{y}\cdot {\frac {I_{2}-I_{1}}{I_{2}+I_{1}}}

Двумерный четырехлатеральный PSD имеет такие преимущества, как быстрый отклик, гораздо меньший темновой ток, простота применения смещения и более низкая стоимость изготовления. Точность и разрешение его измерений не зависят от формы и размера пятна, в отличие от квадрантного детектора, который может быть легко изменен из-за турбулентности воздуха. Однако он страдает от проблемы нелинейности. Хотя оценка положения приблизительно линейна по отношению к реальному положению, когда пятно находится в центральной области PSD, зависимость становится нелинейной, когда световое пятно находится вдали от центра. Это серьезно ограничивает его применение, и во многих приложениях существует настоятельная потребность в улучшении линейности.

Чтобы уменьшить нелинейность 2D PSD, был предложен новый набор формул для оценки положения падающего света (Сонг Цуй, Йенг Чай Со: Индексы линейности и улучшение линейности 2D тетралатерального позиционно-чувствительного детектора. IEEE Transactions по электронным устройствам, том 57, №9, стр. 2310-2316, 2010):

x=k_{x1}\cdot {\frac {I_{4}-I_{3}}{I_{0}-1.02(I_{2}-I_{1})}}\cdot {\frac {0.7(I_{2}+I_{1})+I_{0}}{I_{0}+1.02(I_{2}-I_{1})}}

и

y=k_{y1}\cdot {\frac {I_{2}-I_{1}}{I_{0}-1.02(I_{4}-I_{3})}}\cdot {\frac {0.7(I_{4}+I_{3})+I_{0}}{I_{0}+1.02(I_{4}-I_{3})}}

где : $I_{0}=I_{1}+I_{2}+I_{3}+I_{4}$ , и : $k_{x1},k_{y1}$ являются новыми масштабными коэффициентами.

Результаты оценки положения, полученные с помощью этого набора формул, моделируются ниже. Мы предполагаем, что световое пятно движется ступенчато в обоих направлениях, и наносим оценки положения на двумерную плоскость. Таким образом, должна быть получена регулярная сетка, если предполагаемое положение совершенно линейно с истинным положением. Производительность намного лучше, чем у предыдущей формулы. Подробное моделирование и результаты экспериментов можно найти в статье С. Куи.

Дискретные датчики

Последовательная обработка

Наиболее распространенными сенсорами с частотой дискретизации менее 1000 Гц являются CCD или CMOS камеры . Датчик разделен на отдельные пиксели , значение экспозиции которых можно считывать последовательно. Положение светового пятна можно рассчитать методами фотограмметрии непосредственно по распределению яркости.

Параллельная обработка

Для более быстрых приложений были разработаны матричные датчики с параллельной обработкой. Как построчно, так и в столбцах плотность света каждого пикселя сравнивается с глобальным пороговым значением. Результатом сравнения становятся строки и столбцы с логическими связями ИЛИ. Из всех столбцов и всех строк один элемент, яркость которого превышает заданное пороговое значение, представляет собой среднее значение вычисленных координат светового пятна.

Изготовление изотропных датчиков

различные полупроводниковые структуры, в том числе pn-переходы , барьеры Шоттки и структуры металл-оксид-полупроводник В позиционно-чувствительных детекторах используются . Более поздние гибридные структуры на основе гетероперехода PEDOT:PSS/n-Si обладают сверхвысокой чувствительностью и превосходной линейностью. ^[1] Эти гибридные конфигурации также выигрывают от простого низкотемпературного процесса изготовления, исключающего высокотемпературный и дорогостоящий процесс производства обычных датчиков pn. ^[1]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Джавади, Мохаммед; Голами, Махдия; Торбатиян, Хадис; Абди, Ясер (12 марта 2018 г.). «Гибридные органические/неорганические позиционно-чувствительные детекторы на основе PEDOT:PSS/n-Si» . Письма по прикладной физике . 112 (11): 113302. дои : 10.1063/1.5022758 . ISSN 0003-6951 .

Сонг Цуй, Йенг Чай Со: Индексы линейности и улучшение линейности двумерного четырехлатерального позиционно-чувствительного детектора. Транзакции IEEE на электронных устройствах, Vol. 57, № 9, стр. 2310-2316, 2010.
Ансси Мякинен: Позиционно-чувствительные устройства и сенсорные системы для оптического слежения и измерения смещения. Диссертация, технологический факультет Университета Оулу, 2000 г., Аннотация и PDF-файл , ISBN 951-42-5780-4
Хенрик Андерссон, Позиционно-чувствительные детекторы: технология устройств и их применение в спектроскопии. Диссертация, факультет информационных технологий и средств массовой информации, Университет Средней Швеции, Сундсвалль, Швеция, 2008 г., PDF , ISBN 978-91-85317-91-2
Никола Массари, Лоренцо Гонзо, Массимо Готтарди и Андреа Симони: Высокоскоростной цифровой CMOS 2D оптический позиционно-чувствительный детектор. ESSCIRC, Флоренция, Италия, сентябрь 2002 г., PDF
Дж. Т. Уоллмарк: Новый полупроводниковый фотоэлемент, использующий боковой фотоэффект. Труды ИРЭ, Vol. 45, с. 474-483, 1957 г.

[:0-1] Jump up to: ^а ^б Джавади, Мохаммед; Голами, Махдия; Торбатиян, Хадис; Абди, Ясер (12 марта 2018 г.). «Гибридные органические/неорганические позиционно-чувствительные детекторы на основе PEDOT:PSS/n-Si» . Письма по прикладной физике . 112 (11): 113302. дои : 10.1063/1.5022758 . ISSN 0003-6951 .

[1]