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1、第18卷第3期佳木斯大学学报(自然科学版)Vol.18No.32000年9月JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition)SeP.2000文章编号:1008—1402(2000)03—0292—04①一维、二维PSD的检测原理及测量电路112郭书立,李立军,谭定忠(1.佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯154007;2.哈尔滨工程大学,黑龙江哈尔滨150001)摘要:介绍了新型传感器PSD在一维空间和二维空间的检测原理,并以理论推导的方式给出了归一化公式,来作为设计外围电路检
2、测光点位置的依据.关键词:PSD;传感器;检测;归一化处理中图分类号:TP212文献标识码:A0前言PSD(PhotosensitiveStationDetect)是一种能够连续检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[1]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[2]计的性能提出了很高的要
3、求,而石英摆片的各项参数,如几何尺寸、挠性刚度、摆动频率与幅值、扭动频率与幅值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,是我们面临的新课题.基于PSD传感器的诸多优点,在了解其一维和二维检测原理之后特设计一套检测系统以满足测量要求.1一维PSD的检测原理PSD是一种在高电阻N层的表面设置高电阻P层,再在背面设置N层的结构.A,B为接在P层两端的两个电极.当入射光照射在PSD表面时,就会发生光电效应,产生电子空穴对,载流子达到P层后按照入射光点位置与电极A,B距离成反比的关系进行分配(参看图1).图1
4、PSD的剖面结构示意图图2PSD等效电路图图2为PSD的等效电路,其中Q为光点位置,A,B为P侧电极,C为N侧电极,I0为光点照射在Q点时形成的光电流,Dj为理想二级管,Cj为结电容,Rsh为并联电阻.在入射光的照射下,半导体内部产生载流子,它们在耗尽层内电场的作用下发生定向移动.空穴进入P层,电子进入N层,形成光电流,光电流到达Q点后,被电阻R1和R2分流,从电极输出,由电路原理可①收稿目期:2000—07—03作者简介:郭书立(1965—),女,黑龙江佳木斯人,佳木斯大学机械工程学院实验师.第3期郭书立等:一维、二维PSD的
5、检测原理及测量电路293知:由于R1,R2是与Q点到相应的距离成反比的,即:R2+RLI1=I0(1)Rs+2RLR1+RLI2=I0(2)Rs+2RLLö2+XR1=Rs=(1ö2+XöL)Rs(3)LLö2-XR2=Rs=(1ö2-XöL)Rs(4)L将式(1)、(2)代入式(3)、(4)得:(1ö2-XöL)Rs+RLI1=I0(5)Rs+2RL(1ö2+XöL)Rs+RLI2=I0(6)Rs+2RL其中:Rs=R1+R2由式(5)、(6)可知,I1,I2是入射光位置和入射光能量的函数.在实际检测时,由于光源输出功率以及光
6、源与PSD之间距离的变化,I0值并非固定不变的.因此,为了检测方便,采取如下归一化处理,以消除光量的影响.I2-I12Rs=X=KX(7)I2+I1(Rs+2RL)LPSD的归一化公式就是设计外围电路检测光点位置的依据.如果设计的外围电路使其输出为I2-I1,则电路的输出与光点偏移量X成正比,这便是PSD检测位置的原理.I2+I12二维PSD的检测原理二维PSD分为双面分离型和分离改进型等几种,下面将简单予以介绍:2.1双面分离型PSD双面分离型的PSD在X,Y两个方向上感光层是独立的,一层感受X方向上光点的位置变化,另一层则感
7、受Y方向上光点位置变化.双面分离型的PSD等效电路图如图3所示,仿照一维PSD的归一化公式(7)便可得其X,Y两个方向上的归一化公式:X2-X1I4-I32Rs==X=kxXX2+X1I4+I3(Rs+2RL)LY2-Y1I2-I12Rs==Y=kyYY2+Y1I2+I1(Rs+2RL)L其中kx,ky是与PSD本身特性有关的参数,在一定的测量范围内kx,ky是常数.2.2分离改进型PSD二维分离改进型的PSD对X,Y两个方向上的感光层在同一个表面,只是在制造器件的工艺过程中,对表面感光层性能,在双面分离型基础上进行了改进,具有
8、暗电流小,响应时间快,易于偏置应用,环境噪音低等特点.其等效电路如图4所示.294佳木斯大学学报(自然科学版)2000年图3双面分离型PSD的等效电路图4分离改进型PSD的等效电路现设光点Q在Y方向上恒定,则流经Y1,Y2的电流之和相当于一维PSD中的I1;相应
