位置敏感探测器的发展状况及应用研究_庞亚萍

建筑物在外力作用下会发生各种复杂变形甚至导致建筑物本身受到 损害， 利用激光及 ＰＳＤ 构成的测量装置可以测量结构的多维变形［ １２］ 。ＰＳＤ 测距系统不但可以用于结构抗震实验研究， 测量固有频率和震动周期， 更 有 实 际 意 义 的 是 用 于 监 测 桥 梁 、高 层 建 筑 、塔 架 等 由 地 震 或 其 他 过 载 引起的变形和震动， 作为崩塌的报警装置， 测距可达 ３００ ｍ。
摘 要： 回顾了位置敏感探测器（ ＰＳＤ） 的发展史， 阐述了位置敏感探测器主要涉及的应
用领域， 对位置敏感探测器今后的发展和研究进Ｄ） ； 测量速度； 信号采集
中图分类号： ＴＮ３０３
文献标识码： Ａ
位 置 敏 感 探 测 器（ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ， ＰＳＤ） 的 工 作 机 理 是 半 导 体的横向光电效应， 它对入射光或入射粒子的位置敏感， 具有分辨率高、 响应速度快、信号处理简单等优点， 在检测位置的同时还能检测光强。随 着科学技术的快速发展， ＰＳＤ 应用的范围不断扩大， 研究也不断深入。在 精 密 尺 寸 测 量 、三 维 空 间 位 、高 能 物 理 等 技 术 领 域 及 兵 器 制 导 和 跟 踪 中 具有独到之处和广泛应用。我国的光电子技术与国际差距很小， 大力发 展光电子产业， 加快光电子技术研究开发， 对实现我国的光电子技术跨 越式发展， 推动社会经济发展快速稳定增长有积极作用。
日本松田公司和电气公司 １９９３ 年共同研制了一种使用 ＰＳＤ 的汽车 用激光雷达， 其目的是监视汽车前方和探测障碍物。如果以 １２０ ｍ／ｓ 以上 的速度探测前方车辆， 测量精度可以达到 ０．５ ｍ。此激光雷达通过扫描器 的扫描， 利用 ＰＳＤ 测 定 反 射 角 度 。 同 时 还 研 制 了 一 种 装 备 在 汽 车 上 的 ＰＳＤ 路面检测系统， 用于探测路面信息并将信息存储在磁盘［ １１］ 。 ２．３ 土木水利工程
ＰＳＤ 测试系统的进展主要表现在两个方面： 一是 ＰＳＤ 器件性能的提 高 ： 近 年 来 ＰＳＤ 的 研 究 已 有 进 展 ， 分 辨 率 大 大 提 高 ， 已 有 分 辨 率 高 达 ５ μｍ 的 ＰＳＤ 的研究报道， 线性度和稳定度也有改善。二是计算机技术及新 的信号处理技术的研究与应用： 利用微机或单片机可简化电路设计， 使 系 统 设 计 更 灵 活 ， 且 可 实 现 各 种 非 理 想 因 素（ 如 非 线 性） 的 补 偿 ， 这 样 可 以提高测量精度。高速信号处理器的应用使这种信号处理算法容易实 现， 信号采集速度提高， 可大大提高测量速度。
军事上用电子自动准直系统来调整地面导弹发射系统， 在导弹瞄准 中需要同时测量直线位移和角位移， 以消除高低角的扭转， 实用中由 ＰＳＤ 测距传感系统测量总体位移量， 由电子自动瞄准仪测量角位移， 结 合两者的解算出直线位移［ １４］ 。用类似方法也可以调整潜艇的导弹发射系 统。正在研发中的射击训练仪以二维 ＰＳＤ 为光电接收器件， 红外光源安 置在模拟靶中心， 接收透镜及 ＰＳＤ 固 定 在 模 拟 枪 杆 上 ， 练 习 者 瞄 准 的 状 态与 ＰＳＤ 接收到的光斑位置对应， 结果由计算机显示。 ２．５ 空间航空航天
２ ＰＳＤ 的应用领域
２．１ 工业检测 ＰＳＤ 在 工 业 检 测 中 主 要 用 于 工 件 的 位 移 测 量 、振 动 测 量 、尺 寸 测 量
和表面状态测量等。由于 ＰＳＤ 响应速度快、位置分辨率 高 ， 由 ＰＳＤ 构 成 的 测 距 仪 或 测 微 仪 可 以 适 用 于 高 速 在 线 检 测 ， 如 在 机 械 加 工 业 、橡 胶 制 品和造纸等行业可以先检测被加工物体的外形尺寸， 钢板、橡胶、纸张等 的 厚 度 及 平 整 度 等 ， 其 他 物 理 量 和 状 态 如 振 动 、偏 心 、间 隙 、冲 程 等 都 可 以由 ＰＳＤ 以各种具体应用方式实现测量［ ３－１０］ 。美国 ＭＴＩ 研制的 Ｍｉｃｒｏｔｒａｋ ７０００ 系列 ＰＳＤ 测距仪以半导体激光为光源， 根据被测物的表 面 反 射 的 情况设计了镜面反射型和漫反射型两种光学头， 分 辨 率 达 ０．００２ ５ μｍ～ ５．０８ μｍ， 广泛应用于工业自动化生产和微电 子 生 产 中 的 各 类 检 测 和 监 控， 如测量工件的长度、厚度、表面形貌、检测纸张的厚度、集成块引脚的 高度、ＰＣ 主板的厚度和弯曲、磁盘驱动器的偏转以及在食品及 饮 料 包 装 中检测填充高度等等。ＰＳＤ 光学测量系统还可以用来检测像巨型轮船推 进器那样的机械部件的对准状况。 ２．２ 汽车雷达避障
１ ＰＳＤ 的国内外发展状况
早在 １９３０ 年， Ｓｃｈｏｔｔｋｙ 将 Ｃｕ－ Ｃｕ２Ｏ 金属半导体结的 Ｃｕ２Ｏ 表面边缘的 Ａｕ 电极通过安培表短接于 Ｃｕ 层， 发现当用一束光照射 Ｃｕ２Ｏ 表面时， 外电 流随光入射位置与电极之间的距离的增加指数下降， 这是横向光电效应的 首次发现。直到 １９５７ 年 Ｗａｌｌｍａｒｋ 在圆形 Ｇｅ－ ｐ＋ｎ 结上重新发现了这个效 应， 发现当光斑在器件上移动时， ｎ 型层上两个相距 １ ｍｍ 的点电极之间的 电势差与光斑位移成比例， 他用载流子复合理论对此现象进行了解释， 并 提出可以利用此来检测光点位置， 此后才真正开始了对 ＰＳＤ 的研究。
品规格不多， 没有形成规模生产， 主要原因是国内对 ＰＳＤ 器件的了解和认 识不足， 产品性能还不够完善， 此外， 没有与之相配套的信号处理器供应以 及价格等因素也是制约其发展的重要原因。但近几年来随着 ＰＳＤ 发展迅 速， ＰＳＤ 的应用越来越广泛， 如在角度检测、长度测量、形貌测量等方面。近 年来我国对 ＰＳＤ 的研究报道也越来越多， 如中国计量科学研究院研制了 半导体激光自动测量仪， 哈尔滨科技大学袁峰报道了位置敏感器 ＰＳＤ 应 用系统设计， 袁雅珍报道了位置敏感器 ＰＳＤ 特性及其在三角测量中的应 用， 史建鹏报道了一种新型的位置敏感器 ＰＳＤ 检测元件等。
１９６０ 年 Ｌｕｃｏｖｕｓｋｙ 推导出描述横向光电效应的 Ｌｕｃｏｖｕｓｋｙ 方程， 从而 奠定了 ＰＳＤ 的理论基础。Ａｌｌｅｎ 等研究了用硅材料制作的圆形 ＰＳＤ 的特 性， Ｆｉｅｒｅｔ 等制作并研究了方形结构的 ＰＳＤ， 这个时期制作的 ＰＳＤ 被称为 Ｌｕｃｏｖｕｓｋｙ 型 ＰＳＤ， 其特点是电极设计为点状， 使用时不加偏置， 灵敏度、响 应速度和线性度等都比较差。２０ 世纪 ７０ 年代， 为了提高 ＰＳＤ 的性能， 设计 了四横向结构 ＰＳＤ， 电极设计成条形， 使用时加反向偏压， 各项性能指标均 得到提高， 具有暗流小、易于加反偏的优点， 但由于四条电极设置在同一 面， 电极间相互影响， 非线性仍然较大。ＵＤＴ 开发出了这种结构的产品， 用 于探测可见光， 红外以及高能射线的一维和二维 ＰＳＤ， 主要用于高能物理 实验和测距。许多作者也研究了背景、偏置和负载等对 ＰＳＤ 性能的影响。 为了提高线性度， 后来开发了双面结构 ＰＳＤ， 该结构将收集 ｘ 和 ｙ 方向位 置信息的电极分别设在 ｐ＋ｎ 结的两面， 这样避免了电极间的相互影响， 线 性度提高， 但这种结构存在暗流较大， 不便于加反向偏压。Ｗｏｌｔｒｉｎｇ 分析了 几种二维方形 ＰＳＤ 的解析解。Ｎｏｏｒｌａｇ 用硅平面制作工艺制作了非线 性 ０．５％的双面结构 ＰＳＤ， 使 ＰＳＤ 制作工艺有了突破。其后， Ｇｅａｒ 设计出了枕 形结构的 ＰＳＤ， 这种结构虽有良好的线性度， 但是有效使用面积较小。ＰＳＤ 器 件 自 ２０ 世 纪 ７０ 年 代 研 制 成 功 后 ， １９８５ 年 前 后 日 本 和 美 国 相 继 应 用 ＰＳＤ 研制了各种仪器和装置， 如激光测试微仪等。由于位置敏感探测器器 件 具 有 体 积 小 、灵 敏 度 高 、线 性 范 围 大 、噪 声 低 、分 辨 率 高 、光 谱 响 应 范 围 大、响应速度快、价格低及应用电路简单等优点， 所以广泛用于光电位置测 量、光学遥控、位移和振动的检测和监控、激光准直、方向探测、光学边界判 别、医用器械、形位误差测量、三维位置测量系统以及机器人视觉等方面。
由于 ＰＳＤ 可同时测量位置和入射能量， 使 ＰＳＤ 在高能物理中有独特 的用途。ＰＳＤ 是宇宙射线谱仪的核心组成部分， 用于测量宇宙射线及太阳 射线中的粒子和同位素［ １６－１７］ 。在 ＧＥＯＴＡＬＥ 卫星计划中， 进行的高能粒子 实验目的是测量太空中的重离子成分， 卫星上的粒子望远镜鉴别粒子质 量， 粒子望远镜包括大面积二维 ＰＳＤ 和 Ｌｉ－ ｄｒｉｆｔｅｄ 探测器， 从 ＰＳＤ 输出的 信号经电荷敏感放大器（ ＣＳＡ） ， ＣＳＡ 形成的脉冲反馈到主脉冲形状放大器 （ ＰＳＡ） ， ＰＳＡ 的输出信号送 Ａ／Ｄ 转换器。日本滨松公司开发的二维微弱光 探测器［ １８］ 主要由 ３ 块微通道板和二维 ＰＳＤ 组成， 用于捕捉一个一个光子， 当光子入射探测器在光电阴极转变成电子， 聚焦在微通道板输入面， 再入 射到 ＰＳＤ 上， 由 ＰＳＤ 的输出信号经位置分析仪确定其位置， 系统具有增益 高、响应时间快的特点。将二维微弱光探测器、帧记忆存储器以及监视器等 组合起来（ 称 ＰＬＡＳ 仪器系统） 可用于微弱光二维图像测量。 ２．７ 机器人技术
三 峡 大 坝 、清 江 大 坝 、水 口 大 坝 等 重 点 工 程 建 设 中 已 不 再 使 用 多 船
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庞亚萍 位置敏感探测器的发展状况及应用研究
本刊 Ｅ－ ｍａｉｌ：ｂｊｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ 综 述
闸式过坝方案， 而是采用过坝式垂直升船机方案， 将使用超过百米长的 承船箱， 重达万吨的承船箱以 ２ ｍ／ｓ 的速度整体升降， 技术难点是箱体表 面的水平测量， 要求箱体表面 ４ 个端角的水平高度差小于 １００ ｍｍ， 否 则 承 船 箱 有 可 能 覆 灭 。采 用 安 装 在 具 有 自 垂 直 的 陀 螺 结 构 上 的 激 光 扫 平 系 统和 ３ 组 ＰＳＤ 组件， 成功地把水平高度差控制在 ４ ｍｍ［ １３］ 。 ２．４ 军事
科技情报开发与经济