PSD (Position Sensitive Detectors) jsou optoelektronické senzory, které umožňují přesně určit pozici dopadajícího světelného paprsku na rezistivní fotocitlivou plochu senzoru. Umožňují tak na dálku detekovat pohyb, změřit velikost nebo určit tvar nějakého předmětu. článek popisuje princip senzorů pro 1-D a 2-D měření a příklady reálných součástek některých výrobců.

PSD, Position Sensitive Detector, je optoelektronický senzor, který umožňuje na mikrometry přesně určit pozici dopadajícího světelného paprsku na aktivní rezistivní fotocitlivou plochu senzoru. Strukturu detektoru lze přirovnat k tzv. diodě s laterárním efektem. Vlastně jde o zvláštní variantu PIN diody. Pozici se určuje porovnáním velikostí proudů z kontaktů detektoru, jejichž velikost se spojitě mění v závislosti na pozici dopadajícího paprsku na citlivou plochu. Detektory mohou být jak pro měření v jednom směru (1-D), tak i pro měření pozice ve dvou souřadnicích (2-D). 1-D detektory se vyznačují obdélníkovým páskovým tvarem aktivní citlivé plochy dlouhé až n desítky mm, zatímco detektory pro 2-D měření obvykle mají tvar čtverce o hraně dlouhé také až několik desítek mm.

APLIKACE

Optické měření předmětů i v 3D Detekce a měření pohybu Měření pozice Měření úrovní a hladin Měření úhlů Měření výšky Zjišťování množství papíru na roli Kontrola kvality povrchu Automatické zaměřování apod.

PRINCIP FUNKCE

Principielně PSD představuje fotodiodu s fotocitlivou rezistivní vrstvou ve tvaru pásku nebo plošky. V případě jednorozměrné struktury (zde osa X) je svrchní strana součástky opatřena dvěma kontakty X1 a X2 mezi nimiž je již zmíněná aktivní odporová fotocitlivá vrstva ve tvaru pásku délky L. Třetí kontakt je na substrát, na obrázku 1. vyveden ve spodu struktury. V zapouzdřené stavu tedy detektor má tři vývody. Jestliže nebudu zabíhat do podrobností funkce polovodičové struktury, lze princip z vnějšího pohledu popsat obrázky 1. a 2.

Místo kam dopadne paprsek světla generuje elektrický proud I, který se v ose X rozdělí na dvě složky I1 a I2 úměrné pozici bodu dopadajícího světla. To je dáno odporem R1 a R2 na světlo citlivé plochy mezi již zmíněným bodem, kam dopadá světlo a kontakty X1 a X2. čím blíže je bod kontaktu, tím menší odpor je mezi ním je kladen vrstvou a tím větší proud je odebírán z daného kontaktu. Porovnáním proudů I1 a I2 kontaktů X1 a X2 lze určit pozici paprsku v ose X. častěji se však určuje pozice od středu senzoru, protože paprsek dopadající do středu (těžiště) generuje stejný proud pro oba výstupních kontakty. Vzdálenost x bodu dopadajícího paprsku světla od středu aktivní plochy detektoru lze vyjádřit ze vzorce:

OBECNÉ VLASTNOSTI

Všechny běžné PSD se vyznačují společnými vlastnostmi dané strukturou detektoru:

• Velké rozlišení: přesné měření polohy paprsku v řádu desetin mm
• Okamžitá reakce na změnu polohy
• Nezávislost odezvy na velikost a tvar světelného bodu paprsku
• Detekce pro různé vlnové délky světla
• Velikost proudu nezávisí na intenzitě dopadajícího světla ani velikosti stopy
• Obvykle doporučená maximální intenzita dopadajícího záření 10mW/cm
• Obvykle doporučená velikost stopy paprsku max. 1mm

ROZDěLENÍ 2-D senzorů

Dvou dimenzionální PSD snímače jsou podle struktury klasifikovány na typy:

• tetra-lateral
• duo-lateral

TETRA-LATERAL struktura

Tuto strukturu charakterizuje velmi rychlá odezva na změnu polohy paprsku a nízký temný proud. Do této skupiny patří i vylepšená tetra-lateral struktura označována jako Pin-cushion. Ta již poskytuje vylepšenou aktivní oblast a elektrody, což snižuje chybu detekce pozice na úroveň blížící se dual-lateral struktuře. Princip funkce je podobný jako u 1-D struktury, tzn. stále je zde jedna citlivá plocha, která však obsahuje 4 elektody.

Na obrázku 3. je příklad jednoho z možného vyhodnocovacího zapojení pro dvoudimenzionální PSD. První vertikální čtveřice operačních zesilovačů provádí nastavení vyvážení. Poslední trojice operačních zesilovačů provádí výpočet dle vzorce uvedeného dříve v kapitole PRINCIP FUNKCE.

DUO-LATERAL struktura

Ta nabízí malou chybu detekce pozice a zároveň vysoké rozlišení. Princip proti tetra-lateral struktuře je rozdílný. Velké přesnosti (až 99%) je tentokrát dosaženo dvěmi oddělenými světlocitlivými rezistivními plochami, kde jedna je na povrchu (stejně jako v případě 1-D detektoru) a druhá vespodu chipu. Každá pak vyhodnocuje pozici v jednom směru. Někdy se však této metody využívá i v případě 1-D senzorů pro další zvýšení rozlišení.

POROVNÁNÍ SCHOPNOSTI DETEKCE OBOU STRUKTUR

Na následujícím obrázku 1. je porovnání detektability jednotlivých struktur PSD (obrázky odpovídají konkrétním senzorům firmy UDT Sensors).

Z obrázku 4. je názorně vidět téměř nulová chyba detekce pozice pro strukturu DUAL-LATERAL, kdy se rozlišení v ose X a Y, díky odděleným rezistivním fotocitlivým plochám, navzájem neovlivňuje. Vzájemné ovlivňování se pak projevuje ve jednodušší struktuře TETRA-LATERAL, která však díky jednodušší konstrukci dosahuje rychlejší odezvy na změnu pozice.

Součástky - HAMAMATSU

One-dimensional PSD

Hlavní vlastnosti :

• Aktivní plocha: 1x 1mm až 1x 37mm
• Chyba detekce pozice: 0,015 až 0,125 mm
• Spektrální rozsah: 320 až 1100 nm
• Teplotní rozsah : -10°C až 60°C
• Pouzdra: Plastic, Ceramic, TO-5

Two-dimensional PSD

Hlavní vlastnosti:

• Aktivní plocha: 2x2 mm až 22x22 mm
• Struktura: Dual-lateral, Tetra-lateral, Pin-cushion
• Chyba detekce pozice: 0,080 až 0,150mm (Dual-lateral); 0,150 až 1,2 mm (Tetra-lateral)
• Spektrální rozsah: 320 až 1100 nm
• Teplotní rozsah: -10°C až +60°C
• Pouzdra: Plastic, Ceramic, Metal

Více podrobných informací lze získat na stránkách firmy HAMAMATSU - http://www.hpk.co.jp

Součástky - UDT Sensors

Americká firma UDT Sensors, Inc., jedna z předních amerických výrobců na poli optoelektrických součástek, nabízí i superlineární snímače polohy PSD.

One-dimensional PSD

Hlavní vlastnosti :

• Aktivní plocha: 3 x 1 mm až 76 x 2.5mm
• Chyba detekce pozice: 0.040 až 0.240 mm (Tetra-lateral), 0.003 až 0.005 mm (Dual-lateral)
• Spektrální rozsah: 400 až 1100 nm
• Teplotní rozsah : -10°C až 60°C
• Pouzdra: Plastic, Ceramic, TO-5
• Nepřenost odezvy mezi PSD je 2 až 5% dle typu obvodu
• Temný proud (dark current) 0.005 až 0.25 µA

Two-dimensional PSD

Hlavní vlastnosti:

• Aktivní plocha: 2 x 2 mm až 30.94 x 30.94 mm
• Struktura: Dual-lateral, Tetra-lateral
• Chyba detekce pozice: 0.003 až 0.076mm (Dual-lateral); 0.080 až 5.0 mm (Tetra-lateral)
• Spektrální rozsah: 400 až 1100 nm
• Teplotní rozsah: -10°C až +60°C
• Pouzdra: Plastic, Ceramic, Metal
• Nepřenost odezvy mezi PSD je 2 až 5% dle typu obvodu
• Temný proud (dark current) 0.005 až 0.25 µA

Více podrobných informací lze získat na stránkách firmy UDT Sensors, Inc. - http://www.udt.com

Senzory firmy UDT Sensors, Inc. v české Republice distribuuje firma HEV Halbleiter-Electronic Vertriebs na adrese www.hev-electronic.com

Závěr

PSD jsou jedna z možností jak velmi rychle a přesně zjistit a určit malou změnu pozice libovolného objektu. V průmyslu se často využívají ve spojení s měřením vzdálenosti triangulační metodou měření. Více o této metodě i obecně o optoelektronických senzorech, měření a použití v praxi lze nalézt v knize vydavatelství BEN "Senzory v průmyslové praxi". Do české republiky senzory PSD firmy UDT Sensors dodává firma HEV HALBLEITER-ELECTRONIC s obchodním zastoupením v Praze, kterou lze kontaktovat na e-mailu: prag@hev-electronic.com.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka distributora do čR firmy UDT Sensors - www.hev-electronic.com
• Domovská stránka firmy UDT Sensors - http://www.udt.com
• Domovská stránka firmy HAMAMATSU - http://www.hpk.co.jp
• kniha vydavatelství BEN: R. Martinek, Senzory v průmyslové praxi - (právě v prodeji)
  
• článek na HW Serveru o senzorech FSR (Force Sensitive Resistor) - http://automatizace.hw.cz/view.phpťcisloclanku=2005112501