位置感知装置

位置感度デバイスおよび/または位置感度検出器(PSD) は、センサー表面上の 1 次元または 2 次元で光スポットの位置を測定できる 光学位置センサー(OPS) です。

PSD は、異なる原理に従って動作する 2 つのクラスに分けられます。最初のクラスのセンサーには、連続的な位置データを提供する等方性センサー サーフェスがあります。2 番目のクラスのセンサーには、ローカルな離散データを提供するラスターのような構造の離散センサーがセンサー サーフェス上に存在します。

PSD という専門用語は、1957 年に JT Wallmark が発表した、局所測定に使用される横方向光電効果を 表す出版物で初めて使用されました。層状の半導体では、いわゆるPIN ダイオードが小さな光点にさらされます。この光点にさらされると、局所的な抵抗が変化し、4 つの電極に電子が流れます。電極の電流、、から、光点の位置は次の式を使用して計算されます。 ${\displaystyle I_{a}}$${\displaystyle I_{b}}$${\displaystyle I_{c}}$${\displaystyle I_{d}}$

${\displaystyle x=k_{x}\cdot {\frac {I_{b}-I_{d}}{I_{b}+I_{d}}}}$

そして

${\displaystyle y=k_{y}\cdot {\frac {I_{a}-I_{c}}{I_{a}+I_{c}}}}$

および は、座標への変換を可能にする単純なスケーリング係数です。 ${\displaystyle k_{x}}$${\displaystyle k_{y}}$

このプロセスの利点は、最大 100 kHz を超える測定速度で光点の位置を連続的に測定できることです。光点の形状とサイズに対する局所測定の依存性と非線形接続は欠点ですが、特殊な電極形状によって部分的に補償できます。

2D テトララテラル PSD は、2D で入射光スポットの位置を連続的に測定できます。抵抗層を備えた単一の正方形PIN ダイオードで構成されています。センサーのアクティブ領域に入射光があると、境界付近の正方形の各辺に沿って配置された 4 つの電極から光電流が生成され、収集されます。入射光の位置は、電極から収集された電流に基づいて推定できます。

${\displaystyle x=k_{x}\cdot {\frac {I_{4}-I_{3}}{I_{4}+I_{3}}}}$

そして

${\displaystyle y=k_{y}\cdot {\frac {I_{2}-I_{1}}{I_{2}+I_{1}}}}$

2D テトララテラル PSD には、応答が速く、暗電流がはるかに低く、バイアスの適用が容易で、製造コストが低いという利点があります。測定精度と解像度は、空気の乱流によって簡単に変化する可能性のある象限検出器とは異なり、スポットの形状とサイズに依存しません。ただし、非線形性の問題があります。スポットが PSD の中心領域にある場合、位置推定は実際の位置に対してほぼ線形ですが、光スポットが中心から離れると関係は非線形になります。これにより、その用途は大幅に制限され、多くの用途で線形性の改善が緊急に求められています。

2-D PSD の非線形性を低減するために、入射光の位置を推定する新しい一連の式が提案されています (Song Cui、Yeng Chai Soh：Linearity indices and linearity improvement of 2-D tetra-lateral position sensitive detector. IEEE Transactions on Electron Devices、Vol. 57、No. 9、pp. 2310-2316、2010)。

${\displaystyle x=k_{x1}\cdot {\frac {I_{4}-I_{3}}{I_{0}-1.02(I_{2}-I_{1})}}\cdot {\frac {0.7(I_{2}+I_{1})+I_{0}}{I_{0}+1.02(I_{2}-I_{1})}}}$

そして

${\displaystyle y=k_{y1}\cdot {\frac {I_{2}-I_{1}}{I_{0}-1.02(I_{4}-I_{3})}}\cdot {\frac {0.7(I_{4}+I_{3})+I_{0}}{I_{0}+1.02(I_{4}-I_{3})}}}$

ここで、: 、:は新しいスケール係数です。 ${\displaystyle I_{0}=I_{1}+I_{2}+I_{3}+I_{4}}$${\displaystyle k_{x1},k_{y1}$

この一連の式によって得られた位置推定結果を以下にシミュレートします。光点が両方向に段階的に移動していると仮定し、位置推定値を 2 次元平面上にプロットします。推定位置が実際の位置と完全に線形である場合、規則的なグリッド パターンが得られるはずです。パフォーマンスは、以前の式よりもはるかに優れています。詳細なシミュレーションと実験結果は、S. Cui の論文に記載されています。

1000 Hz 未満のサンプリング レートを持つ最も一般的なセンサー アプリケーションは、CCDまたはCMOSカメラです。センサーは個々のピクセルに分割され、その露出値を順番に読み取ることができます。光点の位置は、写真測量法を使用して、輝度分布から直接計算できます。

より高速なアプリケーションのために、並列処理を備えたマトリックス センサーが開発されました。行ごと、列ごとに、各ピクセルの光の密度がグローバルしきい値と比較されます。比較の結果は、論理 OR リンクを持つ行と列になります。すべての列とすべての行から、特定のしきい値よりも明るい 1 つの要素が、計算された光点の座標の平均値になります。

位置感度検出器には、pn接合、ショットキー障壁、金属酸化物半導体構造など、さまざまな半導体構造が利用されています。最近のPEDOT:PSS/n-Siヘテロ接合に基づくハイブリッド構造は、超高感度と優れた直線性を示します。 ^[1]これらのハイブリッド構成は、従来のpnセンサーの製造に必要な高温でコストのかかるプロセスを排除した、簡単な低温製造プロセスのメリットも享受しています。^[1]

• フォトダイオード
• PINダイオード
• 光電効果

• Song Cui、Yeng Chai Soh：2-D テトララテラル位置敏感検出器の直線性指標と直線性の改善。IEEE Transactions on Electron Devices、Vol. 57、No. 9、pp. 2310-2316、2010。
• Anssi Mäkynen:光学追跡および変位検出アプリケーション用の位置感知デバイスおよびセンサー システム。論文、オウル大学工学部、2000 年、要約および PDF、ISBN 951-42-5780-4 
• Henrik Andersson、「位置感知検出器：分光法におけるデバイス技術と応用」。 論文、情報技術およびメディア学部、ミッドスウェーデン大学、スンツヴァル、スウェーデン、2008 年、PDF、ISBN 978-91-85317-91-2 
• Nicola Massari、Lorenzo Gonzo、Massimo Gottardi、Andrea Simoni:高速デジタル CMOS 2D 光学式位置検出器。 ESSCIRC、フィレンツェ、イタリア、2002 年 9 月、PDF
• JT Wallmark:横方向光効果を利用した新しい半導体光電池。IREの議事録、第 45 巻、S. 474-483、1957 年