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光电子#激光第14卷第7期 2003年7月
JournalofOptoelectronics#Laser
Vol.14No.7 Jul.2003四边形结构PSD的输出特性研究黄梅珍1,2***X,施隆照2,陈钰清3,窦晓呜1(1.上海交通大学物理系光学工程研究所,上海200030;2.福州大学电子科学与应用物理系,福建福州350002;3.浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心,浙江杭州310027)摘要:对四边形结构二维位置敏感探测器(PSD)的单方向输出特性进行了实验研究,并用有限元法(FEM)进行了模拟和计算,计算结果与实验结果完全吻合。作为比较,还模拟计算了正方形一维PSD的输出特性。关键词:位置敏感探测器(PSD);输出特性;数值计算;有限元法(FEM)中图分类号:TH703.2 文献标识码:A 文章编号:100520086(204StudyontheOutputPerformanceofaTetra2lateralPSDHUANGMei2zhen1,2,SHILong2zhao2,CHENYu2qing3,DOUXiao2ming1(toryofOpticalEngineering,PhysicsDepartment,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China;onicScience&AppliedPhysicsDepartment,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China;aResearchCenterofEngineering&TechnologyforOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Theoutputperformanceofthetetra2lateraltwodimensional(2D)positionsensitivedetector(PSD)whileonlytwoofitsfouroutputelectrodesworkedalternatelywasexperimentallyinvestigated,thenafinite2elementmethod(FEM)wasusedtosimulateandcalculate,ared,asquare1DPSDwassimulatedandcalculatedalso,thecods:positionsensitivedetector(PSD);outputperformance;numericalcomputation;finite2elementmethod(FEM)1 引 言 位置敏感探测器(PSD)是一种具有广阔应用前景的光电器件,已经在工业检测和监控、土木工程、自动对焦、汽车避障、航空对接、军事、高能物理、三维形貌测量、机器人传感和生物医这等诸多领域获得应用,深入研究PSD器件的工作原理和输出特性具有重要的意义。 四边形电极结构PSD具有制作工艺简单、成品率高、暗电流小和加反向偏置容易等诸多优点。但是,由于四边形结构PSD的光敏面周边设置了相互垂直的2对电极,分别用于收集x方向和y方向电[1~4]流,它们是相互影响和制约的,使用中认为x方向和y方向输出信号各自独立,从而导致较大的位置偏差和非线性。为了克服这种结构的位置非线性,最直接的方法是将x方向和y方向信号输出分开,双面结构PSD正是基于这种考虑的一种设计。文献[5]采用MOS工艺在四边形结构PSD上设置MOS开关,通过在MOS开关上加栅控制电压使其导通或截止,使2对电极分时导通和截止,保证任一时刻仅有1对电极导通,使器件的位置线性度得以提高。本文在不改变器件设计的情况下,通过在器件外围加模拟开关,分时选通其中1对输出电极的方法,实验研究了四边形结构PSD单方向输出的位置线性度特性,并X收稿日期:2002208205 修订日期:2003203224 * 基金项目:福建省教育厅资助项目(JB02076) **Email:mzhuang@
第7期 黄梅珍等:四边形结构PSD的输出特性研究
#691#端与处理电路断开,另1对(x方向)输出电极接收处理电路,即将二维PSD当一维使用,光斑在光敏面上不同的高度处沿x方向等间距扫描(扫描间距1000Lm),所得结果如图3。图中,纵坐标y是实际高度,横坐标xc是测量值。结果是当光斑沿着y方向扫描时,越远离中心,测得的xc越小。当高度固定不变时(y不变),测得的xc呈现中央密集两端稀疏的特征。该结果说明,将四边形结构二维PSD当作一维PSD使用,将产生非线性。用有限元法(FEM)对四边形结构二维PSD的单方向输出特性和长宽比为1的正方形一维PSD的输出情况进行了模拟计算。计算结构很好地解释了实验现象,说明若将四边形结构二维PSD当作一维PSD使用,将出现严重的非线性。有些作者认为,光敏感面长度远大于宽度是一维PSD器件具有线性输出的前提。本文的结果说明,无论长宽比如何,一维PSD都具有很好的线性输出。2 实验与结果 测量装置如图1。光源采用He2Ne激光,输出功率5mW,光功率衰减器用来调节照射在PSD上的光功率,激光束经透镜聚焦后光斑直径约0.2mm,PSD固定在二维的螺旋测微座上,螺旋测微座读数精度1Lm。图中I1~I4是PSD的4个电信号输出;背面公共电极5用于加反向偏置电压。从各个电极输出的电流信号分别经过模拟开关、电流2电压转换、采样保持、放大和A/D转换后送单片机,由单片机作相应的运算处理,并将结构显示出来。以PSD的中心为坐标原点,若器件的有效光敏面为l@l,位置2电流运算公式为I2-I1I3-I4 X=l,Y=l2I1+I22I3+I4(1)图2 测量位置(x、y方向交替输出)Fig.2 Measuredpositionwhiletwooffouroutputelectrodesworkedalternately图1 测量PSD线性度装置图Fig.1 Set2upformeasuringthelinearityofPSD图3 测量位置(仅x方向输出)Fig.3 Measuredpositionwhileonlytwooffouroutputelectrodesworked 采取在模拟开关上加与相位相反的方波电压方式,使2对电极分时导通和截止,保证任一时刻仅有其中的1对电极导通。测量时首先固定y坐标不变,使光斑在x方向扫描,每隔1000Lm记录一个位置,然后改变y坐标,间距也是1000Lm,再使光斑沿x方向扫描。对国产四边形结构的PSD(10mm@10mm)进行了测量(由于对称性只测了2个像限),以测得的位置坐标作图,测量结果如图2。结果器件中央区域的位置误差减小了,但是边缘形变更严重,网格往中央收缩,网格图变成了近似圆形。再去除模拟开关和采样保持电路,使其中1对(y方向)电极的输出3 数值计算与分析 从器件的结构和制作过程来看,四边形结构二维PSD与光敏面呈方形的一维PSD极其相似,区别仅在于,前者在光敏面的四周设置4个电极,而后者则仅在光敏面的两侧设置2个电极。但在实验中,当把四边形结构二维PSD当作一维PSD来测试时,却出现了严重的非线性。为了解释四边形结构二维PSD的单方向输出的非线性特性及其原因,根据器件结构和特点,构造如图4的有限元计算模型。在这两种模型中,区域Ñ是光敏区,电阻率比较大;区域Ò是电极
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光电子#激光 2003年 第14卷
区,电阻率很小;区域Ó是隔离区,R是负载电阻,在实际电路中R近似为零。出的计算位置分布如图5,正方形结构一维PSD的计算位置分布如图6。图5 计算位置(四边形结构仅单方向输出)Fig.5 Calculatedpositionwhileonly图4(a) 四边形结构PSD单方向输出有限元计算模型Fig.4(a) TheFEMcalculationmodelof2DtetraPSDwhileonlytwooutputelectrodesworkedtwooutputelectrodesworked图6 计算位置(正方形一维PSD)图4(b) 正方形结构一维PSD有限元计算模型Fig.4(b) TheFEMcalculationmodelofasquare1DPSDFig.6 Calculatedposition(square1DPSD) 模拟计算的结果表明:当四边形电极结构的其中 边界条件:U1c=U2c=0,属于第一类边界;区域Ò与区域Ó之间相互绝缘,属于第二类边界j=0的情况;区域Ñ与区域Ò之间为自由边界。 利用ANSYS软件进行有限元划分和计算,选择线性插值函数。设定区域Ñ的边长L=0.9(长度单位),区域Ò的宽度a=0.05(长度单位),长度L-2b=0.8(长度单位);设定区域Ñ和区域Ò的方块电阻分别为200和0.005,外接电阻R=0.0005;在光敏区(x,y)处加恒定光照对应于在(x,y)处加载一定电势U0;根据结构对称性,四边形结构二维和正方形结构一维PSD的加载位置均为:x=0B0.094B0.376;y=0B0.094B0.376,对应每一个加载位置(x,y),可以得到PSD整个面上的电势分布。取出节点1和节点2上的电势U1和U2代入一维PSD位置计算公式计算得到相应的x方向的计算位置xc,由计算位置xc和给定的y作图。四边形PSD单方向输1对电极(如y方向)与外电路断开时,从另1对电极(x方向)输出的电信号与加载位置的x坐标之间为非线性关系。按照等间距加载计算得到的点在PSD中央区域密集,边沿稀疏,而且加载位置的y坐标值越远离中心,计算得到的x值越小,这与实验所得到的结果(图3)完全一致。由于结构对称性,x和y方向无区别,在(x,y)处加载,x方向不接外电路,从y方向的输出得到的yc,与在(y,x)处加载,y方向不接外电路,从x方向的输出得到的xcc相等,即yc=xcc。根据此,对于每一个加载位置(x,y),均能计算得到相应的仅有单方向输出时的坐标xc和yc,以(xc,yc)作图如图7。该图与四边形结构外接分时选通开关测得的实验结果(图2)吻合。 而正方形结构一维PSD的计算位置具有很好的线性度,而且与加载位置的y坐标值无关,这与从PSD微分方程得到的解析解结果是一致的,这正是
第7期 黄梅珍等:四边形结构PSD的输出特性研究
#693#出的方法,实验研究了四边形结构PSD单方向输出的输出特性,并采用有限元方法对四边形结构二维PSD单方向输出和正方形结构一维PSD的输出进行了数值计算,计算结果与实验结果相符。并得到以下结论:对于四边形结构二维PSD,其中1对电极的存在是导致另一个方向位置非线性的直接原因,器件光敏感面边缘的掺杂情况直接决定了位置线性度,结果提示将四边形结构二维PSD当作一维PSD将出现严重的非线性,并与光入射在光敏面的高度位置有关。此外,结果还表明:只要掺杂均匀,无论长度与宽度的比值如何,一维PSD的输出都具有很好的线性。参 考 文 献:[1] JINTaiyi,LIShengli,XUYu,elopmentofPSDlasermeasnringmicro2displacementinstrumentanditsaccurncyanalysis[J].ersityofScienceandTechnologyofChina,1992,22(3):3482353.[2] ldesignofinitiaeivePSDauto2focussystem[J].OpticalInstruments,1995,20(1):13217.[3] TANGSheng2biao,TUDa2wei,oflasertriangulationrangeimagingsystembasedonsyn2chronizedscanners[J].electronics#Laser(光电子#激光),2002,13(1):56258.(inChinese)[4] DPLSimons,PHAMutsaers,LJvanIjzendoorn,ationofX2rayandcharged2particlespectroscopywithCCDsandPSDs[J]..,1998,B139:2732278.[5] YMorikawa,2distortiontwo2dimen2sionalpositionsensitivedetector(PSD)withon2chipMOSFETswitches[J].SensorsandActutors,1992,A34:1232129.双面结构PSD之所以具有很好的线性度的原因。因此,从理论的角度,就结构因素本身而言,一维PSD的位置与光敏面的纵向尺寸无关,即光敏面呈方形的PSD与光敏面呈长条形的PSD具有同样好的线性度。不过,由于制做工艺所限,在一定程度上,面积越小,电阻率的均匀性越好;分流面纵向尺寸越小,分流电阻越大,噪声越小。所以一维PSD的光敏面以长条形为好,一维梳状结构PSD的设计也正是基于这种考虑。图7 计算位置(四边形结构单方向交替输出)Fig.7 Calculatedpositionwhiletwooutputelectrodesworkedalternately 将本实验和计算结果与文献[5]做对照分析。文献[5]采用MOS制做工艺在四边形结构PSD电极内侧设置MOS开关,当MOS开关处于关闭状态时,电流被开关有效地截止,开关起了绝缘边界的作用,情形与一维PSD相同,因而有效地提高了线性度。本文实验没有改变器件的设计和制作,是通过在器件外围加模拟开关使其电信号单方向分时输出,这种情况下,器件光敏面的四周仍然是电阻率较低的电极区,模拟开关处于关闭状态的方向,边界并没有完全绝缘,因而仍然出现了非线性。4 结 论作者简介: 本文在不改变器件设计的情况下,通过在器件外围加模拟开关和控制信号,分时选通其中1对电极输黄梅珍 (1966-),女,福建省长汀县人,副教授,博士,从事光电器件及应用技术、光谱测试技术及仪器等方面研究1
