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        光源對位置敏感傳感器定位精度的影響

        2010-11-22 06:44:20宣榮喜張鶴鳴胡輝勇宋建軍
        關(guān)鍵詞:影響

        李 康,宣榮喜,張鶴鳴,胡輝勇,舒 斌,宋建軍

        (西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院,陜西 西安710071)

        隨著位置敏感傳感器在角度、位置、特別是三維運動對象的檢測和控制方面的廣泛應(yīng)用,以及對于精度越來越高的要求,有必要研究光源對其探測精度的影響。從某種意義上講,光源對位置敏感傳感器精度的影響起著關(guān)鍵性的作用[1]。本文首先介紹位置敏感傳感器的結(jié)構(gòu)和原理,并說明其探測的是光斑的重心和光斑如何影響探測精度,最后利用有限元分析軟件對其模型加以仿真給出結(jié)論。

        1 位置敏感傳感器

        位置敏感傳感器 (Position Sensitive Detector,PSD)是一種基于非均勻半導(dǎo)體P-N結(jié)上橫向光電效應(yīng)對入射光點敏感的光電器件,具有連續(xù)的光敏面和光點連續(xù)探測的特點,不存在光點探測死區(qū);采用非掃描工作方式,響應(yīng)速度快;PSD的體積小,檢測信號的處理電路也相對簡單,便于實際應(yīng)用[2]。

        橫向光電效應(yīng)是指當(dāng)P-N結(jié)或者金屬-半導(dǎo)體結(jié)的一面受到非均勻的光輻照時,在平行于結(jié)的平面上出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象首先由Schottky在1930年發(fā)現(xiàn)提出的;后來Wallmark提出利用橫向光電效應(yīng)進行光電檢測[3];隨后由Lucovusky推出著名的描述橫向光電效應(yīng)的Lucovusky方程[4],為PSD奠定了數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。

        PSD一般采用P-I-N三層結(jié)構(gòu),如圖1所示。上層和下層采用摻雜濃度較高的P型和N型半導(dǎo)體材料,中間采用濃度較低的或者本征半導(dǎo)體材料,其等效圖如圖2所示。

        圖1 PSD剖面結(jié)構(gòu)圖

        圖2 PSD原理等效圖

        設(shè)PSD全長2L,以它的中心為原點,有光斑作用于PSD上A點,A到原點的距離為Xa,陽極1和陽極2是一維PSD兩端的輸出電極,輸出電流分別為I1和I2,根據(jù)圖2所示原理有

        可導(dǎo)出入射光點的位置:

        2 光斑對PSD定位精度的影響

        PSD檢測的入射光形成的光斑的能量中心,即就是光斑的重心[5-6]。欲分析光斑對PSD定位精度的影響,首先對這一論斷做簡要說明。

        以一維PSD為例,假設(shè)光斑由N個離散的小光點組成,第m個光點的強度為kom,入射位置為Xm,則Lucovusky方程在線性條件下簡化為

        根據(jù)線性疊加原理可得一維PSD的輸出穩(wěn)定電流 i1、i2為

        由前面假設(shè)知道光斑是由無數(shù)個離散小光點組成,各個光點的能量不盡相同,即能量分布不均勻,根據(jù)重心的公式可知光斑重心會偏離幾何中心,則光斑實際的入射的位置就會與PSD輸出的位置出現(xiàn)偏差。光斑能量分布越不均勻,這種位置偏差越大;光斑的半徑越大,其能量的分布越難以均勻,這種偏差也會越大。故光斑的能量分布和半徑是影響光斑重心的重要的2個要素,也是影響PSD 探測精度重要因素[6-7]。

        3 PSD的仿真

        由上述理論分析可知,光源對PSD的定位精度會產(chǎn)生影響。為了進一步驗證,采用FlexPDE對其進行仿真。FlexPDE是使用有限元分析法給出線性和非線性微分方程數(shù)值解的專業(yè)軟件[8],對PSD的仿真就是對其數(shù)學(xué)模型Lucovusky方程進行數(shù)值求解。以一維PSD為例,穩(wěn)態(tài)方程可簡化如下:

        2個電極輸出的電流可表示為

        s為電極的面積。假設(shè)電阻率ρ為恒定值,光斑采用FlexPDE提供的階躍函數(shù)

        R 為光斑半徑,(Xl,Yl)為光斑的入射坐標(biāo)。當(dāng)光斑入射位置為(0.3,0)時,結(jié)電勢的分布如圖3所示。

        圖3 PSD電勢分布圖(1×0.2cm)

        3.1 光斑半徑對PSD輸出位置的影響

        選用1 cm×0.2 cm的PSD,分別選取光斑半徑大小為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm等一系列數(shù)值在(0.25,0)處作用PSD,根據(jù)仿真結(jié)果可得到如表1所示的一組數(shù)據(jù),由此繪制出光斑半徑與誤差的曲線圖(圖4),誤差放大為原誤差的10000倍。

        仿真結(jié)果表明,輸出位置與實際位置的誤差在光斑半徑比較小時基本穩(wěn)定;隨著光斑半徑的增大而明顯增大,且輸出光斑位置越趨向于PSD中心。

        3.2 光斑強度對PSD輸出位置的影響

        選用1 cm×0.2 cm的PSD,分別選取光斑強度為 1單位、2單位、3單位等一系列數(shù)值在(0.25,0)處作用PSD,根據(jù)仿真結(jié)果可得到如表2所示的一組數(shù)據(jù)。

        圖4 輸出位置與實際位置誤差圖

        表1 輸出位置誤差與光斑半徑關(guān)系 cm

        表2 輸出位置誤差與光斑強度關(guān)系 cm

        仿真結(jié)果表明,光斑的強度對PSD的輸出位置產(chǎn)生的影響很小,并且當(dāng)光強度到一定程度后輸出位置的誤差保持恒定。

        3.3 光斑位置對PSD輸出位置的影響

        選用1 cm×0.2 cm的PSD,分別保持水平坐標(biāo)和豎直坐標(biāo)固定,改變另外一個坐標(biāo)軸的坐標(biāo)分別得到表3和表4的數(shù)據(jù)。

        表3 輸出位置誤差與光斑豎直坐標(biāo)關(guān)系 cm

        表4 輸出位置誤差與光斑水平坐標(biāo)關(guān)系 cm

        保持入射光在PSD上的水平坐標(biāo)不變,而改變豎直坐標(biāo)可得到表3中的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)表明輸出誤差隨著入射光點偏離橫軸而增大。保持入射光在PSD上豎直坐標(biāo)而改變水平坐標(biāo)可得到表4中的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)表明輸出誤差隨著入射光點遠(yuǎn)離PSD的中心而逐漸增加。若改變水平坐標(biāo)和豎直坐標(biāo)的數(shù)值可得到多組仿真數(shù)據(jù),根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出誤差隨輸入位置變化示意圖如圖5所示,虛線為入射光點實際曲線,實線為PSD輸出位置坐標(biāo)曲線。

        圖5 誤差隨入射光位置變化圖

        4 結(jié)論與分析

        本文對PSD輸出位置受光源影響進行了研究分析。理論分析表明,光源強度對于PSD輸出位置與入射光實際位置的誤差影響不大;光斑的半徑和光斑所落的位置對誤差的影響較大。因此在實際應(yīng)用中應(yīng)使入射光斑盡可能小,盡可能落在靠近PSD的中心位置,避免光斑落在邊緣區(qū)域,這樣會使探測的誤差大大減小,提高目標(biāo)的定位精度。

        [1] 唐映德,李兵斌.泵浦光的離軸對激光器性能影響[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報,2005,32(2):170-173.

        [2] 雷玉堂.光電檢測技術(shù) [M].北京:中國計量出版社,2009.

        [3] Wallmark J T.A New Semiconductor Photocell Using Lateral Photoeffect[J].Proc IRE,1957,45:474-483.

        [4] Lucovskey G.Photo-Effects in Nonuniformly Irradiated P-N Junctions[J].Appl Phys,1960,31:1088-1095.

        [5]袁紅星,賀安之,李振華,等.PSD位置特性與光斑及背景的關(guān)系研究[J].東南大學(xué)學(xué)報,1999,29:145-149.

        [6] 黃梅珍.位置敏感探測器研究[D].杭州:浙江大學(xué)博士論文,2001.

        [7]呂愛民,袁紅星,賀安之.光斑模式對PSD定位的研究[J].激光技術(shù),1998,22(5):294-297.

        [8] Gunnar Backstorm.Fields of Physics by Finite Element Analysis[M/OL].[2002].http://forum.softsale.cn/thread-715-1-2.html.

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