一维PSD位移测量设计(光电检测课设)

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1、实用摘要1一、引言2二、基本原理3三、结构及测量原理3四、位移测量设计41、一维PSD位移测量原理52、一维PSD转换电路及分析6五、结论分析6参考文献8文档实用摘要半导体光电位置传感器（即PSD）是一种基于横向光电效应的新型半导体光电位置敏感传感器。它除了具有光电二极管阵列和CCD的定位性能外，还具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快、电路配置简单等特点，因而被人们所重视。PSD的发展趋势是高分辨率、高线性度、快响应、及信号采集处理等多功能集成。本文基于一维PSD位置传感器非接触性测量物体位移，实现对PSD的简单应用。关键词：半

2、导体横向光电效应PSD位置传感器转换电路一维PSD非接触性位移测量文档实用文档实用一、引言半导体光电位置传感器(即PSD：PositionSensitiveDevice)是一种光电测距器件。它除了具有光电二极管阵列和CCD的定位性歪，还具有灵敏度高，分辨率高，响应速度快及信号采集处理等多功能集成。PSD基于非均匀半导体"横向光电效应"，达到器件对入射光或粒子位置敏感。PSD由四部分组成：PSD传感器、电子处理元件、半导体激光源、支架（固定PSD光传感器与激光光源相对位置）。PSD的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范

3、围宽、可靠性高，处理电路简单、光敏面内无盲区，可同时检测位置的光强,测量结果与光斑尺寸和形状无关。由于其具有特有的性能，因而能获得目标位置连续变化的信号，在位置、位移、距离、角度及其相关量的检测中获得越来越广泛的应用。在PSD光电实验中，根据读出电压值的变化，可以知道物体的运动变化，从而达到了解光电传感器的构造原理和电子线路的设计与实践、运算放大器的应用。由于其具有精度高的优点，在测量物体时，即使测量物体位置有微小的变化，电压值都会有很明显的变化。二、基本原理PSD是一种基于非均匀半导体横向光电效应的、对入射光或粒子位置敏感的

4、光电器件。文档实用PSD的光敏面能将光点位置转化为电信号，当一束光射到PSD的光敏面上时，在同一面上的不同电极之间将会有电流流过，这种电压或电流随着光点的位置变化的现象时半导体的横向光电效应。因此利用PSD的PN结上的横向光电效应可以检测入射光点的照射位置。它不想传统的硅光电探测器那样，只能作为光电转换，光电耦合，光接收和光强测量等方面的应用，而能直接用来测量位置、距离、高度、角度、和运动轨迹。它的P－N结结构、工作状态、光电转换原理等与普通光敏二极管类似，但它的工作原理与普通光敏二极管完全不同。普通光敏二极管是基于P-N结或

5、肖特基结的纵向光电效应，而PSD是基于P-N结或肖特基结的横向光电效应，事实上是纵向光电效应和横向光电效应的综合。普通光敏二极管通过光电流的大小反应入射光的强弱，是光电转换器件和控制器件。而位置敏感探测器（PSD）不仅是光电转换器，更重要的是光电流分配器件，通过合理设置分流层和收集电流的电极，根据各电极上收集到的电流信号的比例确定入射光的位置。从这个意义上说，PSD是普通光敏二极管进一步细化的产品。基于PIN二极管型的PSD相当于在P-N结构的P层与N层之间插入高阻本征层（I层），当加不太大的反偏电压时I层就己全部耗尽，于是势

6、垒宽度大大增加。而在势垒区内有接近I的量子效率和饱和载流子运动，且势垒区宽度可减小势垒电容。因此，I层的引入可以显著地缩短器件的响应时间。PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标。三、结构及测量原理如图l所示。PSD由P、I、N三层构成，最上一层是P层，P层为感光面，文档实用下层为N层，中间插入较厚的高阻I层，形成P-I-N结构。此结构的特点是I层的耗尽层较宽、结电容较小，光生电流子几乎全部都在I层耗尽层区中产生，没有扩散分量的光电流，因此两边各有一个信号输出电

7、极；I区较厚但具有更高的光电转换效率，更高的灵敏度和响应速度；底层N引出一个公共电极，用来加反偏电压。由于反向偏置下的PSD性能优于零偏状态下PSD的性能，在应用中将PSD处于反向偏置状态。（a）结构示意图（b）等效电路图图1PSD的结构及等效电路当入射光点照射到PSD光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为I0。由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上负载电阻，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流I1和I2。显然，I1和I2之和等于光生电流I0，而I1和I2的分流关系取决于入射

8、光点位置到两个信号电极间的等效电阻R1和R2。如果PSD表面层的电阻是均匀的，则PSD的等效电路为图1（b）所示，其中R1和R2的值取决于入射光点的位置。假设负载电阻RL阻值相对于R1和R2可以忽略，则有：（1-1）文档实用式中，L为PSD中点到信号电极的距离，x为入射光点距