录像课传感器与检测技术

传感器与检测技术精彩一课 主讲李田泽 电气与电子工程学院 简要回顾前面我们学过的光电传感器有 1光电管2光电倍增管3光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管4光电池等 光电管 光电倍增管属于光电子发射器件 属外光电效应型 光敏电阻属于光电导器件 属内光电效应型 光敏二极管 光敏三极管属于光生伏特器件 也属内光电效应型上述这些传感器的物理基础都是基于光电效应 这节课我们继续介绍另一种基于横向光电效应的高精度的半导体光电位置敏感器件 半导体光电位置敏感器件及其应用 一 半导体光电位置敏感器件的结构二 工作原理及特性分析三 外界参数对器件性能影响四 信号调理电路的设计五 应用举例 一 半导体光电位置敏感器件的结构 本部分要点 1 半导体光电位置敏感器件简述2 光电位置敏感器件特点3 一维光电位置敏感器件结构4 二维光电位置敏感器件结构 1 半导体光电位置敏感器件简述半导体光电位置敏感器件 PositionSensitiveDetector简称PSD 是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件 即当入射光点落在器件感光面的不同位置时 将对应输出不同的电信号 通过对此输出电信号的处理 即可确定入射光点在器件感光面上的位置 2 特点 1 位置分辨率高 分辨率可达微米级 器件尺寸越大 PSD的位置分辨率越低 要提高PSD的位置分辨率 除了增大PSD的分流层电阻 减小其暗电流外 还要选择噪声系数小的放大器以及分辨率足够高的测试仪表 2 响应速度快PSD器件的响应频率由1 RC决定 R RS RL RS是PSD的分流层电阻 RL是负载电阻 通常RL RS C是PSD的结电容与分布电容之和 一维PSD响应时间常数为 二维PSD响应时间常数为 3 光谱范围宽一般讲 1 芯片尺寸 30mm 2 光谱范围 nm 380 1100 3 峰值响应度 A w 典型值 20最大值 70 4 位置测量误差 m 30 120 4 处理电路简单运算放大器 除法器 电阻 电容等即可完成该电路 3 一维光电位置敏感器件结构 4 二维光电位置敏感器件结构 输出电极I1 输出电极I2 公共电极 Y1输出 Y2输出 X1输出 X2输出 I1 I2 I3 I4 二 PSD的工作原理及特性分析 PSD的工作原理基于横向光电效应横向光电效应是由肖特基 Schottky 在1930年首先发现的 1 横向光电效应 P N 入射光 N掺轻杂 P 掺重杂 A 内电场方向 2 等效电路当光束入射到PSD的表面上时 将在PSD的表面形成一个光斑 并且在形成的光斑位置产生一个正比于光能的光生电荷 当PSD的公共端加上正电压时 将形成光生电流I0 1 实用PSD三层结构 图给出了实用PSD的PIN三层结构的截面图 最上面一层 P层 为感光层 中间层为I层 下面一层是N层 两边都有一输出电极 底层的公共电极接反偏电压 入射光xI1I2RLRLLL PIN I N 公共端电极加反偏电压 I0 I0 I1 I2 2 PSD等效电路及简化的等效电路 VDj R1 R2 RL RL Rsh I0 I1 I2 Cj I0 R1 R2 RL RL I1 I2 3 3 PSD等效电路简化的等效电路 等效 VDj 理想二极管Cj 结电容Rsh 并联电阻 当入射光射到PSD的光敏面某一点A时 假设产生的总光生电流为I0 由于在入射光点到两信号电极间存在横向电势 在两个信号电极接的负载电阻上 就得到了两个光电流I1和I2 I1和I2的大小取决于入射光点位置及两极间的等效电阻R1和R2 如果PSD表面层的电阻是均匀的 则R1和R2的阻值取决于入射光点位置 负载电阻相对于R1和R2的阻值可以忽略 则 3 PSD的非线性分析 PSD具有很高的时间响应性和较高的位置分辨率 但PSD具有非线性 PSD的非线性使得整个器件所测试的数据置信度下降 致使在高精度测量中的应用受到了制约 产生这种非线性的因素很多 但归纳起来 主要集中在以下几个方面 1 用于制作PSD的N区材料的非均匀性PSD的N区是一个掺入轻杂质的N型半导体 由于制作技术以及工艺的原因 使得整个PSD的N区并非完全对称和均匀 导致PSD的N区的电阻不均匀 这是造成PSD非均匀的一个原因 P区N区 2 电极大小 形状对PSD的影响PSD电极的大小 形状对PSD的性能有一定的影响 在分析PSD电极输出电流时 没有考虑电极大小和尺寸 实际上PSD电极总有一定的大小和尺寸 电极不是理想的点电极 电极与电极并非绝对的对称 P区N区 电极 电极 电极大小 形状对PSD影响 3 P区结面上电阻率不均匀 PSD的P区是很薄的一层掺杂浓度远大于N区的半导体 在制造中P区的厚度以及掺杂的浓度不均匀 造成了P区结面上的电阻率的不均匀 也导致PSD的非线性 P区N区 P区结面上电阻率不均匀 4 单位面积上的结电容分布呈现不均匀由于在P型与N型半导体层的不均匀性 使得P N交界面上形成的结电容的分布呈现不均匀性 P区N区 结电容分布呈现不均匀 结电容分布 5 PSD的中央区域的线性度比较好 但边缘区域的线性较差 严重影响了PSD的数据测试的置信度 另外 温度的漂移对PSD也有一定的影响 由于PSD输出的非线性 因此使用前必须对其非线性误差进行修正 一维PSD二维PSD 三 外界参数对器件性能影响 1 入射光对PSD性能的影响从理论上讲 入射光点的强度和尺寸大小对位置输出均无关 但当入射光点强度增大时 信号电极的输出光电流也增大 有利于提高信噪比 从而提高器件的位置分辨率 同时要注意几点 1 入射光点强度不能太大 2 PSD光谱响应与光源要有良好匹配 3 入射光点的直径尽量小 2 反偏电压对PSD性能的影响 1 对PSD加反偏电压后产生的影响 感光灵敏度略有提高 并且结电容降低 对提高PSD的动态频率有利 2 应加10V左右反偏电压 3 背景光的影响背景光的存在将会影响器件性能 引起位置输出误差 解决方法 1 光学法 滤光片 2 电学法 对输出信号用锁相放大器进行同步检波滤去背景光成分 4 使用环境温度的影响温度升高会引起器件的暗电流增大 使器件的误差以及噪声增大 解决方法 1 采用光源调制 2 锁相放大解调等方式同样可以滤去暗电流的影响 四 信号调理电路设计 1 非线性处理前述 提问 1 说明输出电流大小与哪些因素有关 2 一起思考两个电流如何处理才能得到最简单的表达式 若将两个信号电极输出的电流作如下处理 则上式表明 经过上述处理的PX只与光点的位置坐标x有关 而与入射光强度无关 PX称为一维PSD的位置输出信号 同理 2 PSD信号调理电路的设计方法要获得PSD的位置输出信号 必须对各个信号电极的输出作一运算处理 该运算处理的方法很多 如 1 用微处理机系统对各信号电极的输出进行采样 然后用软件来实现 2 为提高处理速度和实时控制的需要 也可以使用硬件电路进行处理 3 PSD信号处理电路主要包括 1 前置放大要求 低温漂 高输入阻抗 高精度运放 2 加法器 3 减法器 4 除法器 如AD533 8013等 5 电容 电阻等 其中Rf的阻值可以根据入射光的强度而定 4 PSD信号处理电路 PSD 4 7 F 10V UR Px 50 F R5 R8 R2 R9 R7 R4 R6 R3 R1 50 F IC2 IC3 IC4 IC5 IC6 IC1 Rf Rf I I I I 注 IC1 IC2 低漂移高输入阻抗运放IC3 IC5 通用运放IC6 除法器 如AD533 8013等Rf 阻值根据入射光强度而定R1 R9 10k 二维PSD的信号调理电路设计思路 与一维PSD的信号调理电路设计思路基本相同所不同的是二维PSD有四个输出电极 X1 X2 Y1 Y2两对电极 只要将X1 X2 视为一维 Y1 Y2视为一维的两对垂直的电极设计即可 五 应用举例 应用非常广泛 工业检测 汽车雷达避障 土木水利工程 军事 空间航空航天 高能物理实验 二维微弱光探测 机器人技术以及形貌检测等 下面以具体实例说明 1 三角法测距方面2 液体浓度的测量3 在高精度激光准直仪中的应用4 钢轨磨损自动检测5 断层X光摄影的应用6 在电梯垂直度中的检测应用 1 利用三角法测距原理图如图所示 光源发出的光经透镜L1聚焦后 投射到待测体的表面 反射光由透镜L2聚焦到PSD上 形成一个光点 透镜L1与L2之间的中心距离 为透镜L2的焦距 为聚焦在PSD表面的光点距离透镜L2中心的距离 则根据相似三角形的性质 可得出待测距离D为 PSD三角法测距系统 待测物体 fPSD L2x信号调 理电路输出信号 LED驱动 b L1 D X 2 液体浓度的测量 待测液体 参比液体 1 液体浓度的测量的基本理论 液体浓度测量原理图 设 n2 n3 n1 n1n2 n3 n1n2 n3 n1 n3 2 液体浓度测量系统图 液体浓度测量系统原理图 输出 3 在高精度激光准直仪中的应用 高精度激光准直仪系统框图激光准直光学系统设计信号处理电路设计数据采集处理系统 1 高精度激光准直仪系统框图 准直的平面 激光器光学双光束光电信号数据采集 系统消漂移调理电路处理系统 电源激光 PSD光靶 系统框图 计算机 2 激光准直光学系统设计L1L2光阑滤光器无效光束激光电源光源部分透镜组滤光器双光束消漂移光学部分 激光电源 直流稳压电源供电 反射镜 镀有半反半透膜 将光束分上下两束光 半导体激光器 五角棱镜 透镜组 直角屋脊棱镜 光阑 滤光片组成的滤光器 直角棱镜 到PSD 4 钢轨磨损自动检测 钢轨的磨损由材质 环境 状态 列车运行速度等多因素造成 尤其是弯道钢轨垂直磨损 侧面磨损严重可达十几毫米 如果对这些钢轨状态不能及时进行监控和更换 将会造成重大损失 钢轨磨损的测量 实际上是对钢轨尺寸变化量的检测 根据PSD的工作原理 采用光学三角测量方法 配上伺服驱动扫描装置 在微处理器的控制下 可对钢轨磨损情况进行自动的检测 5 断层X光摄影的应用 位置敏感探测器在断层X光摄影系统中的应用是一个极具吸引力和可操作性的课题 因为它可以设置电离情况发生的位置 它的这一优点能