Позиционно -чувствительное устройство и/или позиционно-чувствительный детектор (PSD) — это оптический датчик положения (OPS), который может измерять положение светового пятна в одном или двух измерениях на поверхности датчика.
PSD можно разделить на два класса, которые работают по разным принципам: в первом классе датчики имеют изотропную сенсорную поверхность, которая поставляет непрерывные данные о положении. Во втором классе есть дискретные датчики в растровой структуре на сенсорной поверхности, которые поставляют локальные дискретные данные.
Технический термин PSD был впервые использован в публикации 1957 года Дж. Т. Уоллмарка для обозначения бокового фотоэлектрического эффекта, используемого для локальных измерений. На ламинарном полупроводнике так называемый PIN-диод подвергается воздействию крошечного пятна света. Это воздействие вызывает изменение локального сопротивления и, следовательно, потока электронов в четырех электродах. Из токов , , и в электродах местоположение светового пятна вычисляется с использованием следующих уравнений.
и
И — простые масштабные коэффициенты, позволяющие преобразовать в координаты.
Преимуществом этого процесса является непрерывное измерение положения светового пятна с частотой измерения до более 100 кГц. Зависимость локального измерения от формы и размера светового пятна, а также нелинейность связи являются недостатком, который может быть частично компенсирован специальными формами электродов.
Двухмерный четырехсторонний PSD способен обеспечить непрерывное измерение положения падающего светового пятна в двух измерениях. Он состоит из одного квадратного PIN-диода с резистивным слоем. Когда на активную область датчика падает свет, генерируются и собираются фототоки с четырех электродов, расположенных вдоль каждой стороны квадрата вблизи границы. Положение падающего света можно оценить на основе токов, собранных с электродов:
и
Двумерный четырехсторонний PSD имеет преимущества быстрого отклика, гораздо меньшего темнового тока, простоты применения смещения и меньшей стоимости изготовления. Его точность измерения и разрешение не зависят от формы и размера пятна в отличие от квадрантного детектора, который может легко изменяться турбулентностью воздуха. Однако он страдает от проблемы нелинейности. В то время как оценка положения приблизительно линейна относительно реального положения, когда пятно находится в центральной области PSD, зависимость становится нелинейной, когда световое пятно находится вдали от центра. Это серьезно ограничивает его применение, и во многих приложениях существует острая необходимость в улучшении линейности.
Для уменьшения нелинейности 2-D PSD был предложен новый набор формул для оценки положения падающего света (Song Cui, Yeng Chai Soh: Индексы линейности и улучшение линейности 2-D тетралатерального позиционно-чувствительного детектора. IEEE Transactions on Electron Devices, том 57, № 9, стр. 2310-2316, 2010):
и
где : , и : — новые масштабные коэффициенты.
Результаты оценки положения, полученные с помощью этого набора формул, моделируются ниже. Мы предполагаем, что световое пятно движется шагами в обоих направлениях, и мы наносим оценки положения на 2-мерную плоскость. Таким образом, если оценочное положение идеально линейно с истинным положением, должна быть получена регулярная сеточная структура. Производительность намного лучше, чем у предыдущих формул. Подробные симуляции и результаты экспериментов можно найти в статье С. Куи.
Наиболее распространенными применениями датчиков с частотой дискретизации менее 1000 Гц являются камеры CCD или CMOS . Датчик разделен на отдельные пиксели , значение экспозиции которых может быть считано последовательно. Положение светового пятна может быть вычислено методами фотограмметрии непосредственно из распределения яркости.
Для более быстрых приложений были разработаны матричные датчики с параллельной обработкой. Как построчно, так и по столбцам плотность света каждого пикселя сравнивается с глобальным пороговым значением. Результатами сравнения становятся строки и столбцы с логическими связями ИЛИ. Из всех столбцов и всех строк один элемент, который ярче заданного порогового значения, является средним значением координат, вычисленных для светового пятна.
Различные полупроводниковые структуры, включая pn-переходы , барьеры Шоттки и структуры металл-оксид-полупроводник, использовались в позиционно-чувствительных детекторах. Более поздние гибридные структуры на основе гетероперехода PEDOT:PSS/n-Si демонстрируют сверхвысокую чувствительность и превосходную линейность. [1] Эти гибридные конфигурации также выигрывают от простого низкотемпературного процесса изготовления, исключая высокотемпературный и дорогостоящий процесс изготовления обычных pn-датчиков. [1]
