【文章內(nèi)容簡介】 學原理，本文提 出了一種采用雙隔離窗的光透射新型液體濃度檢測的實驗裝置。 如圖 所示。 入射光線 待測液體 ? d ? n 蒸餾水 太原工業(yè)學院畢業(yè)論文 8 圖 新型液體濃度檢測系統(tǒng)光學部分 光學系統(tǒng)包括兩個裝有蒸餾水的參考水槽和一個裝有待測液體的測量水槽，三個水槽之間由兩個平行的光學透射窗隔開，水平入射的光線在由光學透射窗 1 進入待測液體時產(chǎn)生一個入射角 ? (圖 )。在裝有蒸餾水 2 的水槽裝有一個雙平面鏡，光線經(jīng)過雙平面鏡的反射后，再進入待測液體，同樣產(chǎn)生一個入射角 ? ，再次進入裝有蒸餾水的水槽 1，最后通過窄帶濾光片投射在位置敏感器件的光敏面上，當待測液體濃度發(fā)生變化時，透射到位置敏感器件的光敏面上的光斑位置也發(fā)生變化，位置敏感器件就會線性的輸出這一變化，從而實現(xiàn)濃度的 檢測 。加入濾波片的目的是為了濾除大部分環(huán)境雜散光對 檢測 的影響 [11][13]。 光線的幾何軌跡如圖 所示。在圖 的幾何光學光線軌跡中用 d 來表示 PSD所測得的被測液體是待測液體（實光線）和蒸餾水（虛光線）時的光線偏移量。 圖 光線幾何光學軌跡 根據(jù)圖 所示幾何關系和光學折射定律有： nx nx α－ β d1 d2 α－ β s1 s1 d d1 d2 蒸餾水 2 蒸餾水 1 水槽 雙平面鏡 待測液體 光學透射窗 2 光學透射窗 1 PSD 濾光片 激光器 太原工業(yè)學院畢業(yè)論文 9 21 ddd ?? () ? ? ? ??? ??? tan111 dsd () ? ? ? ??? ??? tan212 dsd () 和 ?? sinsin0 gnn ? () ?? sinsin gx nn ? () 式中， 1s 為兩隔離窗距離。從式中可以看到，當入射角、參比液體和兩隔離窗間距選定以后， ? 、 0n 和 1s 就是固定值，將（ ）、（ ）式代入（ ）式得到光線偏移量為 ? ?? ? ? ?? ??? ???? ?? ?? ???? ???? tan1 tantan1 tan 1121 ssddd ? ?xxx nfnnnns?????????????????????????????????????????s i na r c s i nt a n1s i na r c s i nt a n2001 （ ） 半導體位置敏感器件 PSD 半導體位置敏感器件 (Position Sensitive Detector 簡稱 PSD)是一種對其感光面上的入射光點位置敏感的光電器件，即當入射光點落在器件感光面的不同位置時，將對應輸出不同的信號。通過對輸出信號的處理，即可確定入射光點在器件感光面上的位置。 PSD 可分為一維 PSD 和二維 PSD。一維可以測定光點的一維位置坐標，而二維可以檢測出光點的平面二維位置坐標 [8]。 PSD 的結(jié)構(gòu) 若有一輕微摻雜的 N 型半導體和一重摻雜的 P+型半導體構(gòu)成 PN結(jié)，當內(nèi)部載流子擴散和漂移達到平衡時，就建立了一個方向由 N 到 P 區(qū)的結(jié)電場。當有光照射到 PN結(jié)時，半導體吸收光子后激發(fā)出電子 空穴對，在結(jié)電場作用下使空穴進入 P 區(qū)，而使電子進入 N區(qū)，從而產(chǎn)生結(jié)光電勢，這就是一般所說的內(nèi)光電效應。但是，如果入射光僅集中照射在 PN結(jié)光敏面上某一點 A，如圖 所示，則產(chǎn)生的電子和空穴也將集中在 A 點。由于 P區(qū)的摻雜濃度遠大于 N區(qū)，即 P 區(qū)的電導率遠大于 N區(qū)，因此，P 區(qū)的空穴由 A 點迅速擴散到整個 P區(qū)，即 P區(qū)可以近似的視為等電位。而由于 N區(qū)太原工業(yè)學院畢業(yè)論文 10 的電導率比較低，進入 N 區(qū)的 圖 橫向光電效應示意圖 電子將仍集中在 A點，從而在 PN 結(jié)的橫向形成不平衡電勢，該不平衡電勢將空穴拉回到 N 區(qū)，從而在 PN結(jié)橫向建立了一個橫向電場，這就是橫向光電效應。橫向光電效應是由肖特基（ Schottky）在 1930 年首先發(fā)現(xiàn)的 [15]。 PSD 的基本結(jié)構(gòu)仍為一 PN結(jié)結(jié)構(gòu)，其工作原理是基于橫向光電效應。圖 為PSD 的剖面圖。 圖 PSD的剖面圖 PSD 的工作原理 PSD 是基于橫向光電效應的光電位置敏感器件。橫向光電效應又稱側(cè)向光生伏特效應或殿巴（ Dember）效應。半導體光照部分吸收入射光子能量后產(chǎn)生電子空穴對，使該部分載流子濃度高于未被光照部分，因而出現(xiàn)了載流子濃度梯度，形成載流子的擴散。由于電子遷移率比空穴的大，因此電子首先向未被光照部分擴散，致使光照部 P+ N A 入射光點 輸出電極 輸出電極 入射光 公共電極 P 層 N 層 太原工業(yè)學院畢業(yè)論文 11 分帶正電，未被光照部分帶負電，兩部分之間產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱為橫（側(cè)）向光生伏特效應 [14]。 當有光照射到 PSD 感光區(qū)，就會發(fā)生橫向光電效應，在投射位置上就會產(chǎn)生光生電動勢。由于 P 層的阻抗是均勻分布的，這樣在 P層兩電極上聚集的光電流就與入射光位置和電極之間的距離成反比。如圖 ，假設光束入射到光敏 圖 一維 PSD的工作原理 面所產(chǎn)生的總的光電流為 0I ， P 層兩電極輸出的光電流分別為 1I 和 2I ，顯然有210 III ?? ， 1I 和 2I 的分流大小關系取決于入射光點的位置到電極間的等效電阻。 其具體關系遵循下列公式： 當以 PSD 的中心為原點： oA IL x )21(21I 1 ?? () oB IL x )21(21 I 2 ?? () LII II Ax22112 ??? () AAxxLLII 2221 ??? () 當以 PSD 的一端為原點： oB ILL x?? 1I () oB ILx? I2 () L LII II Bx ???? 22112 () 輸出電極 輸出電極 入射光 公共電極 L 太原工業(yè)學院畢業(yè)論文 12 BBxxLII ??21 () 式中， 0I 是 PSD 中產(chǎn)生的總的光電流，并且 210 III ?? ； L 是 PSD 光敏面的長度； Bx是輸出電極到入射光點的距離； Ax 是光敏面中心到入射光的距離。 從上式可以看出， Ax 、 Bx 值和總電流 0I 無關，即表示光斑的位置信息只與光斑的位置有關，而與光斑強度無關；輸出信號和光的聚焦無關，即與光斑分布、對稱性以及光斑的大小尺寸無關，只與光的重心位置有關，這給檢測帶來了方便，但在實際應用中還應于考慮 [27]。 PSD 是一種能夠連續(xù)檢測光點位置的非分割型光電測距器件，其結(jié)構(gòu)原理和等效電路如圖 所示 圖 PSD結(jié)構(gòu)原理和等效電路 常用 PSD 器件的種類 根據(jù)所傳感的位置坐標維數(shù)， PSD 分一維和二維兩類，根據(jù)器件結(jié)構(gòu)，二維 PSD 有四邊形結(jié)構(gòu)、雙面結(jié)構(gòu)和枕形結(jié)構(gòu)等幾種。 （ 1）單晶硅 PSD PSD 發(fā)展的初期，無論表面結(jié)構(gòu)如何變化，單晶硅基 PN 結(jié)的結(jié)構(gòu)一直沒有變化。后來，隨著研究的深入和應用方向的拓展，又開發(fā)了如氫化非晶硅和有機材料等等新的 PN 結(jié)材料。但是，單晶硅基 PSD 在只需要小光敏面積的應用情況下，依舊保持著一些優(yōu)勢，線性度、靈敏度相當好，響應速度也比其它材料的要快。另外，沒有氫化非晶硅的氫游離和有機材料老化導致的器件性能下降的問題。因此單晶硅 PSD 是目前唯一獲得大規(guī)模商業(yè)應用的 PSD 產(chǎn)品。 （ 2）氫化非晶硅 (a2Si:H)PSD R2 x A Q B P I R1 RL L A I1 R R1 R2 B C1 I2 A C I0 Rt R N 太原工業(yè)學院畢業(yè)論文 13 由于受光刻設備和制作工藝的限制，單晶硅不適于做大面積器件，氫化非晶硅(a2Si:H)薄膜可在布材料上生長，適合大 尺寸制作，而且均勻性好，對紅外透明，原材料價格低廉。 （ 3）有機材料雙異質(zhì)結(jié) PSD 由于某些有機材料在可見光波段的吸收長度很小，可以做成光敏面較大又非常薄的器件。另外，器件又可以制作在重量輕，表面粗糙或者可彎曲的塑料基底上。這些特性，無疑對一些使用在特殊場合的光導和光伏器件具有一定的吸引力。 （ 4）面積撓性薄膜 PSD 這一 PSD 的尺寸達到了 5mm 80mm，與類似結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng) pin 型 PSD 相比，其暗電流要小得多。通過分光光度計測量，最高靈敏度為入射光波長 500nm時的 。經(jīng)過波長 632nm，功率 ，光斑直徑 1mm 的激光器的測量，位置非線性度在177。10%。大面積撓性薄膜 PSD 的出現(xiàn)拓展了 PSD 的應用范圍，其低成本、透明和可彎曲的優(yōu)點適用于一些需要曲面探測器的特殊場合。 （ 5）陣列型 PSD 一維 PSD 陣列 隨著 PSD 應用范圍的不斷擴大，其自身的一些局限也開始顯露出來。其中一個重要的問題就是單個光敏面的只能獲得一個位置響應。雖然也有學者從事過在單一 PSD光敏面上的多光束位置響應，但是處理方法過于復雜。于是人們開始把目光轉(zhuǎn)向陣列型的 PSD。研究和開發(fā)了一維和二維的 PSD 陣列。 二維陣列 PSD 自適應光學技術是一種實時校正光學系統(tǒng)隨機誤差的新技術，它使光學系統(tǒng)能適應使用條件變化而保持良好性能，在太空望遠鏡系統(tǒng)等領域有著重要應用。自適應光學的核心是對波前的精確探測和修復。 （ 6） CMOS 型 PSD CMOS ASIC 技術是當今電子集成芯片的主流制造技術。將其移植到集成光學和光電子器件領域，可充分利用現(xiàn)有的平臺，節(jié)約投資，實現(xiàn)光學器件的規(guī)模化、自動化生產(chǎn)，并且最終實現(xiàn)光學和電子器件的混合集成，真正實現(xiàn)SOC(system on chip)。傳統(tǒng) PSD 的單一連續(xù)大面積光敏面要求口電阻非常大(10kΩ )且 分布均勻的分流電阻層，對工藝精度要求嚴格 [19]。 太原工業(yè)學院畢業(yè)論文 14 300 500 700 900 1100 1200 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 PSD 的主要性能參數(shù) 從使用的角度來看， PSD 的靈敏度、光譜響應特性、位置分辨率、位置線性度、靈敏面尺寸、暗電流、暗電流溫度系數(shù)、響應速度等是使用者選擇 PSD器件必須考慮的指標 [19]。 （ 1）光譜響應特性 PSD 器件的光譜響應特性，表示 PSD 的響應靈敏度與光波波長之間的關系，它與所使用的材料有關。 PSD 器件的光譜響應較寬，一般在 300—1100nm范圍內(nèi)， PSD光譜響應特性曲線如圖 所示，其峰值響應波長在 900nm左右。 圖 PSD 光譜響應特性曲線 （ 2）位置分辨率 位置分辨率是指在 PSD 受光面上能檢測的最小變位，用受光面上的距離表示。器件尺寸越大，即 L 越大， PSD 的位置分辨率越高?，F(xiàn)實中為了提高 PSD 的位置分辨率，就必須增大 PSD 的分流層電阻，減小暗電流，此外還需選擇低噪聲的運算放大器以及分辨率足夠高的測試儀表。 （ 3）位置線性度 位置線性度是指光點沿著直線移動時 PSD 的位置輸出偏離該直線的程度。由于PSDN 區(qū)材料的不均勻性、電極形狀等因素而造成 P 區(qū)結(jié)面上電阻率不為恒量從而成為 PSD 非線性的主要影響因素，因而在使用過程中不得不人為地將 PSD 敏感面劃為a 區(qū)和 b 區(qū)， a 區(qū)為中央?yún)^(qū)域， b 區(qū)為邊緣區(qū)域， a 區(qū)的位置準確度優(yōu)于 b 區(qū)。如圖 所示，區(qū)域 a的尺寸為Φ 10mm，位置檢測誤差為177。 150μ m，區(qū)域 b直徑尺寸為Φ 20mm，位置檢測誤差為177。 400μ m。在實際運用中，應盡量使光點打在 PSD 的 a 區(qū)域，提高太原工業(yè)學院畢業(yè)論文 15 位置檢測精度。另外可以使用非線性性補償算法，補償非線性性，提高 b 區(qū)域的使用價值。 圖 區(qū)域 a 及區(qū)域 b 的定義 1 區(qū)域 a 2 區(qū)域 b 3