一种用于大位移监测的光电探测器位置布局制造技术

一种用于大位移监测的光电探测器位置布局，涉及光电探测器。所述用于大位移监测的光电探测器位置布局为：将两个正方形PD放在光源的同一侧，其边一侧靠近光源，光源被反射回来的光线照射在PD上。实现仅利用两个PD对物体位置的更大位移监控，输出的线性区间更大，可分段处理，为监测不同的位移范围提供便利；高分辨率，而且灵敏度相对更好，易于控制，结果处理简便、成本低，给流片加工带来极大方便；在处理外侧的PD对应的光强时，采用将其光强与内侧PD上的光强相比的方法，很大程度上降低照度对结果的影响；只需要模拟电路的设计便能实现多样的监测功能，输出数量少，不需要大规模的数字电路来处理阵列式的输出，节约芯片的面积。

【技术实现步骤摘要】
一种用于大位移监测的光电探测器位置布局
本专利技术涉及光电探测器，尤其是涉及将两个光电探测器放在光源同一侧来实现监测功能的一种用于大位移监测的光电探测器位置布局。
技术介绍
光学式位置传感器是利用光信号完成对监测实体的测量。光源发出的光信号经过物体的反射，成为入射光信号被探测器捕捉。根据监测实体位置发生的变化，探测器所接收到的光信号也将变化，从而监测到输出信号的变化，比如说扫描微镜位移(杨婷雁，温志渝，周颖.面向微型近红外光谱仪的高效扫描光栅微镜设计.强激光与粒子束，2016，28(6)：1-6)的检测。作为众多微光学系统的核心元件，其位置要求与监测要求也是各不相同的，例如共焦内窥显微成像仪系统要求垂直扫描位移大、无侧向位移偏转的扫描镜。分辨率与扫描微镜的垂直位移有关，位移量越大，光谱仪分辨率越高。然而，目前对大位移变化的电热微镜进行精准的位置监测与控制是艰难的任务。N.Massari等人提出了一种有源像素阵列光学位置传感器。采用0.8μm的CMOS工艺集成了光电探测器(PD)与芯片电路。芯片包含了20×20有源像素阵列和具有相应数字解码逻辑的行和列并行处理单元。每单元尺寸为70μm×70μm，在5V电压驱动下功耗为15mW。T.Y.Lin等人通过设计阵列式PD光源模块来组成光学位置传感器。每组单元都包括了PD以及对应的光源。各单元监测物体得到的反射光光强不同，因而通过不同位置PD接收到的光强信号转化的电学信号存在差异。通过采集与分析各个信号可以得到监测实体的距离位置信息。这种方法整体功耗较大并且占用芯片尺寸较大，不适合于小型化低功耗要求。根据PD接收手势对光学信号的影响，手势传感器来实现对手势的识别，Z.Zivkovic提出了一种5像素的低功耗手势传感器。芯片包含了5个PD，能够对接近物体作出响应，以及物体移动方向的探测。为了降低功耗，在无需搭载光源器件的情况下，可以通过物体阴影所造成的信号差异来判别手势方向。通过机器学习技术来对各种手势产生的各种信号进行对应并学习。此种方法虽然功耗较低，但是造成了较低的分辨率，无法同时应用于距离位置监测。然而，微型化是MOEMS的主要方向，过多的PD排布很大程度上增加了芯片的面积和系统的体积；而且多个PD具有更多的功耗，其输出处理起来更加麻烦；单个PD如果面积太大，虽然会提高响应度，但是寄生电容会大大降低带宽。
技术实现思路
本专利技术的目的为了克服其他位置传感方法与各种PD排布的不足，提供可将两个PD放在光源同一侧的一种用于大位移监测的光电探测器位置布局。本专利技术所述用于大位移监测的光电探测器位置布局为：将两个正方形PD放在光源的同一侧，其边一侧靠近光源，光源被反射回来的光线照射在PD上。所述PD为两个大面积的光电二极管，接收被监测实体反射回来的光线并产生光电流，实现光电转换。所述光源选为小发射角的VCSEL，这样才能用来监控大位移的输出。大范围的监测一般会选用激光器，这样照度会高度集中，PD可接收到的光线几乎正比于PD光敏面面积，只需要得出各个范围内受光区域的面积与物体位移的关系便可以得到系统的输出与位移的关系，方法十分简便，而且这种位置布局使内外侧的受光区域的求解方法是一样的。对于外侧的PD，由于距离中心相对较远，接收到的光线照度会有所削弱，因此将其实际输出与内侧的输出取比值，便可以极大降低照度所带来的非线性。整个系统的实现不需要数字电路的设计，只需要几个简单的模拟电路便可以实现。本专利技术的有益效果是：实现了仅利用两个PD对物体位置的更大位移监控，输出的线性区间更大，可分段处理，为监测不同的位移范围提供了便利；高分辨率，而且灵敏度相对更好，易于控制，结果处理简便、成本低，给流片加工带来了极大方便；在处理外侧的PD对应的光强时，采用了将其光强与内侧PD上的光强相比的方法，很大程度上降低了照度对结果的影响；只需要模拟电路的设计便能实现多样的监测功能，输出数量少，不需要大规模的数字电路来处理阵列式的输出，极大地节约了芯片的面积。附图说明图1为本专利技术的光电探测器布局示意图。图2为本专利技术的反射光线示意图。图3本专利技术的单个光电探测器受光示意图。具体实施方式以下实施例将结合附图对本专利技术作进一步的说明，被监测实体就以常见的微镜为例。参见图1，本专利技术的光电探测器布局示意图。1为芯片衬底，2为光源，3为微镜，4为PDA，5为PDB。实际中，光源被芯片内部一个发射驱动电路驱动发光，上方的微镜做垂直位移，反射后的光线经PD接收进行光电转换，芯片上的其他电路对两个PD的电流信号做放大和电压转换，以便分析。参见图2，本专利技术的反射光线示意图。ΔH、ΔH’分别为两个PD接收范围内对相应的微镜高度变化。光源光功率为P，光源发射角为θ，850nmVCSEL的θ取值为30°，则在微镜距离光源H处，芯片单位面积内接收到的光功率为：下面的计算将会以内侧PD为例，计算得出其输出与位移的关系。当距离变化ΔH时,光锥在水平方向扩展距离：参见图3，本专利技术的单个PD受光示意图。将PD设计为正方形，边长a，则PD上光斑面积变化量ΔS＝f(Δr)，设光源距离PD中心间距为L0，r为光斑半径，满足：则光锥与PD重合部分面积求解如下：(1)当光斑还未完全覆盖PD内侧的边沿时，满足：重合部分为弓形，其面积：(2)当光斑继续扩大，直至与最远的边相切时：PD与光斑重合面积为一弓形与一矩形面积之和，即：(3)若光斑超过PD最远的边但未完全覆盖PD，即：此时面积为：(4)若光斑完全覆盖PD后，S＝a2。同理，用同样的方法可以计算得到外侧PD的受光面积与位移的关系。通过Matlab仿真PD受光区域面积S与垂直位移H的曲线可以看出，在r1～r2的范围内，是呈现很好的线性的；而在(L0-a/2)～r1与r2～r3的范围内，线性度有所降低，但是可以用低次拉格朗日插值法(比如三次插值)进行拟合，由于这两段的区间范围非常小，即使用线性插值近似，误差也是很小。因此，当其他参数设定好时，输出与位移是呈现分段线性的关系。可以根据实际要监测的微镜位移范围，在流片生产的时候调整每个PD的边长、每个PD之间的距离以及内侧PD与光源的距离，使其受光区域尽可能包含在某一较大线性区段以内，这样监测效率会更高。其中两个距离的设计要结合流片的经验与需要，比如外围电路的放置、耦合程度、电流走向、DUMMY的位置等等。在实际的监测过程中，当位移很大时，反射的光线照射到外侧的PD，为了确定这一段输出与位移的关系，可以采取另一种方法，就是将外侧PD与内侧PD的实际光强取比值后作为对应的输出，这样在光源的发散角很小、激光照度相对集中和PD面积相对较小的情况下，两部分的照度误差可以很大程度上被抵消掉，这样得到的线性关系会更加精确。本专利技术为了避免多个光电探测器带来的体积过大和结果处理不便，以及单个光电探测器的面积过大而导致的带宽问题，将两个相同的光电探测器放在光源同一侧，实现了仅利用两个光电探测器对物体位置的更大位移监控，输出的线性区间更大，高分辨率，而且灵敏度相对更好，易于控制，结果处理简便、成本低且加工方便，可以用来监测不同的微镜位移范围。本专利技术所述用于大位移监测的光电探测器位置的布局是将两个相同的光电探测器放在光源同一侧。将外侧光电探测器的光强与内侧光电探测器的光强取比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于大位移监测的光电探测器位置布局，其特征在于为将两个正方形PD放在光源的同一侧，其边一侧靠近光源，光源被反射回来的光线照射在PD上。

【技术特征摘要】
1.一种用于大位移监测的光电探测器位置布局，其特征在于为将两个正方形PD放在光源的同一侧，其边一侧靠近光源，光源被反射回来的光线照射在PD上。2.如权利要求1所述一种用于大位移监测的光电探测器位置布局，其特征在于所述PD为两个大面积的光电二极管，接收被监测实体反射回来的光线并产生光电流，实现光电转换。3.如权利要求1所述一种用于大位移监测的...

【专利技术属性】
技术研发人员：程翔，刘岩，孙兴林，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35