КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК МУЛЬТИСКАН
COORDINATE-SENSITIVE SENSOR MULTISCAN

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, конкретно - к устройствам, осуществляющим преобразование световой информации в электрическую, и может быть использовано в качестве координатно-чувствительного датчика для измерения положения одиночного светового пятна в устройствах, предназначенных для определения координат различных объектов, контроля смещения объектов в пространстве, измерения их размеров и т.п.
В настоящее время в бесконтактных методах измерения положения объектов широко используются приборы с зарядовой связью (ПЗС), фотодиодные матрицы и другие приборы с пиксельной структурой, позволяющие определять координаты сигналов с высокой точностью и достаточным быстродействием. Однако использование накопления заряда в таких датчиках не позволяет работать в присутствии мощных фоновых засветок, а пиксельная структура ограничивает их разрешающую способность.
-5
Максимальной разрешающей способностью (до 10 от поля зрения) обладают аналоговые координатно-чувствительные фотоприемники интегрального типа.
+
+
+
-3
Известен координатно-чувствительный детектор интегрального типа Сканистор [К.Ф.Берковская, Н.В.Кириллова, Л.М.Кулиманина, Б.Г.Подласкин «Многострочный фотоприемник - сканистор с параллельно-последовательным опросом», Микроэлектроника, т.4, вып.4, с.291-298 (1975)], состоящий из базовой области монокристаллического кремния n-типа, на которой сформированы фоточувствительная n-область, образующая диод, и резистивный n-cлой, позволяющий обеспечить линейное распределение потенциала по поверхности p-n перехода. Разрешающая способность этого датчика составляет величину ≤5 мкм. В отличие от ПЗС структур этот датчик обеспечивает непрерывность поля регистрации оптического сигнала, однако сплошная неразделенная на дискретные диоды структура Сканистора обуславливает большую площадь p-n перехода и, тем самым, большое значение его выходной емкости и высокое значение темнового тока, что существенно снижает значения таких важных параметров, как точность определения координаты (более 50 мкм) и быстродействие (10 с).
+
+
+
+
Известен многоэлементный координатно-чувствительный датчик интегрального типа Мультискан, который также обеспечивает непрерывность поля регистрации оптического сигнала [Б.Г.Подласкин, Е.Г.Гук. «Позиционно-чувствительный фотодетектор - мультискан». Измерительная техника, №8, с.31-34 (2005)], взятый в качестве прототипа, представляющий собой кремниевую с диэлектрической изоляцией структуру (КСДИ), состоящую из общей подложки, на которой сформированы изолированные друг от друга и от подложки первая и вторая базовые фоточувствительные n-области из монокристаллического кремния n-типа (карманы) глубиной Q=15 мкм, длиной L=20 мм и шириной F, равной 230 мкм. В каждой из базовых фоточувствительных n-областей вдоль линии раздела карманов и симметрично относительно нее сформированы ячейки из встречно включенных дискретных рn диодов с диаметром диода 10 мкм, с шагом h=30 мкм, расстоянием от центра диода до линии раздела N=40 мкм. Каждые два диода, расположенных напротив друг друга (симметрично) в двух карманах, соединены между собой перемычками, расположенными над линией раздела двух базовых фоточувствительных n-областей и имеющими ширину 20 мкм и длину 120 мкм. Эти перемычки обеспечивают встречное включение пары диодов. Вдоль внешних краев базовых фоточувствительных n-областей на расстоянии F=230 мкм от линии раздела и симметрично относительно нее созданы первый и второй резистивные n-слои шириной 100 мкм и длиной, превышающей суммарную длину всех ячеек (длину всей цепочки дискретных диодов). Т.о. каждая элементарная ячейка Мультискана содержит два встречно включенных диода, эта элементарная ячейка повторяется по длине Мультискана с шагом h=30 мкм, образуя набор встречно включенных диодов, расположенных в двух изолированных базовых фоточувствительных n-областях на равных расстояниях от их линии раздела. Диоды, сформированные в первой базовой фоточувствительной n-области, соединены через эту базовую область с первым резистивным n-слоем, а диоды, сформированные во второй базовой фоточувствительной n-области, соединены через эту базовую область со вторым резистивным n-слоем.
Описанный датчик Мультискан имеет следующие характеристики:
- точность определения координаты, мкм, -<5;
- координатное разрешение, мкм, - 0.2;
-8
-11
- темновой ток, A, (U=10 В), - (10÷10);
- быстродействие (минимальное время определения
координаты при мощности светового сигнала,
падающего на фоточувствительную поверхность
-5
-5
датчика W=3-10 Вт), с, - 10.
Точность определения координаты <5 мкм определена при наличии учета систематической ошибки за счет нелинейности распределения резистивного делителя.
-5
-5
-5
-5
Мультискан обладает высокой точностью (<5 мкм) и рекордной для координатно-чувствительных датчиков разрешающей способностью - до 0,2 мкм на фоточувствительном интервале от 5 до 20 мм, т.е. 10 от поля зрения. Широкий динамический диапазон датчика позволяет работать в условиях фоновой засветки, превышающей мощность полезного сигнала на несколько порядков. Формирование координатного отсчета в датчике производится за счет перезарядки выходной емкости с помощью фототока, генерируемого под действием оптического сигнала. Скорость формирования этого отсчета зависит от величины суммарной емкости p-n переходов Мультискана и величины фототока, которая определяется эффективностью генерации и собирания неосновных носителей заряда (ННЗ) на фоточувствительной площади датчика при заданной мощности света, падающего на фоточувствительную поверхность Мультискана. Так, минимальное время определения координаты сигнала на Мультискане при мощности светового сигнала на фоточувствительной поверхности датчика W=3·10 Вт равно 10 с. Мощность W=3·10 Вт, при которой производится измерение быстродействия, соответствует освещению Мультискана прямым солнечным светом в наземных условиях АМ1.5 через щель шириной 0.1 мм.
-2
-3
Однако в большинстве измерительных систем, использующих для определения координат объекта как прямой, так и отраженный оптические сигналы, мощность света, попадающего на датчик, меньше на 2-3 порядка, что, соответственно, снижает быстродействие до (10÷10)c.
В результате в реальных условиях быстродействие Мультискана позволяет определять в следящем режиме координаты сигналов, перемещающихся по поверхности датчика со скоростью не выше (2-20) м/с, в то время как, например, контроль толщины проката в современных прокатных станах требует регистрации сигнала, перемещающегося со скоростью (30÷70) м/с.
В связи с этим актуальной задачей является повышение быстродействия координатно-чувствительного датчика Мультискан, что позволит расширить область его применения.
Задачей, для решения которой создано заявляемое изобретение, является повышение быстродействия многоэлементного координатно-чувствительного датчика Мультискан при сохранении разрешающей способности и точности датчика.
+
+
+
+
1
3
d
2
d
4
d
d
1
1
3
3
2
2
4
4
Задача решается координатно-чувствительным датчиком Мультискан, представляющим собой кремниевую с диэлектрической изоляцией структуру, состоящую из общей кремниевой подложки, на которой расположены имеющие линию раздела изолированные друг от друга и от подложки первая и вторая базовые фоточувствительные n-области из монокристаллического кремния n-типа глубиной Q=15 мкм, длиной 1=20 мм и шириной F=(430÷510) мкм каждая, в которых вдоль линии их раздела и симметрично относительно нее последовательно расположен набор ячеек с расстоянием между ними вдоль линии раздела h=30 мкм, каждая из которых состоит из четырех пар встречно включенных дискретных рn диодов диаметром d=10 мкм, расположенных с шагом h=30 мкм вдоль линии раздела, центр каждого диода первой и третьей пары расположен на расстоянии N=N=2.5L от упомянутой линии раздела, центр каждого диода второй пары расположен на расстоянии N=0.8L от линии раздела, центр каждого диода четвертой пары расположен на расстоянии N=4.2L от линии раздела, где L - диффузионная длина неосновных носителей заряда в базовой фоточувствительной n-области, диоды, симметрично расположенные в первой и второй базовых фоточувствительных n-областях, соединены между собой перемычками, размещенными над линией раздела, имеющими ширину 1.5d каждая и длину соответственно для первых и третьих пар диодов - P=(2N+20) мкм и P=(2N+20) мкм, для вторых пар диодов -Р=(2N+20)мкм, для четвертых пар диодов - Р=(2N+20) мкм, а на расстоянии F от линии раздела симметрично относительно нее расположены первый и второй резистивные n-слои шириной 100 мкм каждый и длиной, превышающей суммарную длину всего ряда дискретных диодов, причем диоды, расположенные в первой базовой области, соединяются с первым резистивным n-слоем, а диоды, расположенные во второй базовой области, соединяются со вторым резистивным n-слоем.
Решение задачи достигается выявленной авторами совокупностью существенных признаков, обеспечивающих изменение топологии датчика (сочетание ширины базовой фоточувствительной n-области и расположения на ней диодов), что позволяет существенно увеличить число неосновных носителей заряда, генерируемых под действием оптического сигнала, и обеспечить их эффективное собирание, что приводит к резкому росту фототока и, тем самым, к повышению быстродействия определения положения светового пятна.
Возможность обеспечения эффективного собирания неосновных носителей заряда основана на модификации топологии координатно-чувствительного датчика. Топология Мультискана, приведенная в прототипе, не обеспечивает максимального значения фототока вследствие недостаточной ширины фоточувствительной области датчика F и отсутствия согласования между расстоянием N диодов до линии раздела базовых фоточувствительных областей и диффузионной длиной неосновных носителей заряда (ННЗ) в базовых областях.
F
F
R
R
F
F
R
F
R
R
+
+
-4
Новым является изменение ширины фоточувствительной области Мультискана до значений (430÷510) мкм. Так как величина фототока I растет с увеличением площади фоточувствительной области Мультискана, на которую попадает оптический сигнал, увеличение ширины фоточувствительной области датчика F приводит к увеличению фототока. Однако верхний предел ширины фоточувствительной области датчика F ограничивается допустимой величиной отношения фототока I к току I, протекающему через первый резистивный n-слой. Это обусловлено тем, что ток I, протекающий через первый резистивный n-слой и определяющий распределение потенциалов вдоль длины базовой фотоприемной n-области, включает в себя фототек I. Поэтому точность определения координаты оптического сигнала определяется величиной отношения фототока I к току I. Для сохранения точности определения координаты оптического сигнала не более 5 мкм (что составляет 10 от длины базовой фотоприемной n-области) величина фототока I, вносящего искажения в величину тока I, должна быть на четыре порядка ниже тока I. Исследование зависимости величины фототока, возникающего на Мультискане в условиях солнечного освещения АМ1,5, показывает, что ширина F фоточувствительной области может быть увеличена до 510 мкм. При F<430 мкм не обеспечиваются достаточная генерация неосновных носителей заряда (ННЗ) и возможность изменения в размещении диодов в фоточувствительной области.
Новым является большее количество диодов в ячейке (при сохранении общего числа диодов в составе Мультискана) и размещение их на разных расстояниях от линии раздела базовых фоточувствительных областей.
+
-6
-5
d
d
d
r
Известно, что изменение концентрации генерированных под действием оптического сигнала ННЗ, за счет их рекомбинации при диффузии в базе фотодиода, характеризуется величиной диффузионной длины ННЗ [В.В.Горбачев и Л.Г.Спицина. «Физика полупроводников и металлов». М.: Металлургия, 1982, 336 с.]. Топология Мультискана предусматривает расположение всех диодов в каждой базовой области на одинаковом расстоянии от линии раздела областей и вблизи от нее. В этом случае зоны светочувствительной области, лежащие вблизи резистивных n-слоев, находятся от диодов на расстоянии, равном S=F-N=230-40=190 мкм, что существенно превышает величину L, т.е. расстояние, на котором концентрация ННЗ, генерированных под действием света, уменьшается в е раз (величина L, характерная для n-кремния, используемого при изготовлении Мультискана, составляет 100 мкм). Т.о. концентрация ННЗ, дошедших до диода из этих зон, значительно снижена по сравнению с условиями S≤ L, и в результате эффективность собирания в этих зонах также значительно снижена по сравнению с теоретически возможной. Величина фототока I=6·10А, полученная при мощности освещения на поверхности Мультискана W=3÷10 Вт в случае прототипа, свидетельствует об отсутствии максимально возможного собирания ННЗ на фотоприемнике Мультискан.
1
2
3
4
1
3
4
1
2
3
2
4
1
2
Как установили авторы, топология Мультискана должна предусматривать такое расположение диодов (при таком же общем количестве диодов как в прототипе), при котором все участки фоточувствительной области находятся на расстоянии от ближайшего диода, меньшем или равном диффузионной длине ННЗ, при увеличенной ширине фоточувствительной области, равной (430÷510)мкм. На основании проведенных исследований авторы определили, что такое требование удовлетворяется в случае расположения диодов, входящих в каждые четыре пары и образующих одну ячейку, последовательно повторяемую по длине Мультискана, на различных, специально установленных расстояниях N, N, N и N (так, что N=N и N=2N-N=2N-N) от линии раздела базовых фоточувствительных n-областей. Так как расстояние N=2N-N, расстояния от линии расположения диодов из первой пары до линий расположения диодов из второй и четвертой пары одинаковы и равны Т:
1
2
3
4
d
d
d
1
2
3
4
d
Для удовлетворения требования, чтобы все участки светочувствительной площади находились на расстоянии от ближайшего диода, меньшем или равном диффузионной длине ННЗ, все параметры (F, h, N, N, N, N и Т) удобно выразить через диффузионную длину: F=(0.43÷0.51)L, h=0.3L, T=k·L, что позволит определить величину к, а следовательно, и расстояния Т, N, N, N, N, обеспечивающие максимальное значение эффективности собирания ННЗ, генерированных под действием света на фоточувствительной базовой области модифицированного Мультискана. Проведенные исследования установили, что резкое увеличение собирания ННЗ происходит при k=1.7, т.е. при T=1.7L.
+
+
1
3
d
2
d
4
d
1
3
1
d
2
2
d
4
4
d
Т.о. для достижения поставленной цели необходимо обеспечить модифицированную топологию Мультискана со следующими параметрами: ширина базовой фоточувствительной n-области F=(430÷510)мкм, расстояние между ячейками, каждая из которых состоит из четырех пар встречно-включенных дискретных рn диодов диаметром d=10 мкм, расположенных с шагом h вдоль линии раздела, равно h=30 мкм, расстояние от линии раздела светочувствительных областей до первой пары и третьей пары диодов ячейки N=N=2.5-L, расстояние от упомянутой линии раздела до второй пары диодов ячейки N=0.8L, расстояние от упомянутой линии раздела до четвертой пары диодов ячейки N=4.2L; длина перемычек, соединяющих между собой диоды первой пары и диоды третьей пары, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовых фоточувствительных n-областях, P=P=(2N+20) мкм = (5L+20)мкм, длина перемычки, соединяющей диоды второй пары, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовых фоточувствительных n-областях Р=(2N+20) мкм = (1.6L+20)мкм, длина перемычки, соединяющей диоды четвертой пары, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовой фоточувствительной n-областях, P=2N+20=(8.4L+20) мкм, расстояние от линии раздела до первого и второго резистивных n-слоев шириной 100 мкм и длиной, соответствующей длине всего ряда дискретных диодов (набора ячеек), F=(430÷510) мкм.
На Фиг.1 схематически представлена топология модифицированного Мультискана (вид сверху), где:
1 - кремниевая подложка;
2 - первая и вторая базовые фоточувствительные n-области;
3 - линия раздела базовых фоточувствительных n-областей;
4 - ячейки;
5 - диоды первой пары;
6 - диоды третьей пары;
7 - диоды второй пары;
8 - диоды четвертой пары;
9 - перемычки;
+
10 - первый резистивный n-слой;
+
11 - второй резистивный n-слой.
На Фиг.2 схематически показана структура ячейки с диодами (вид сверху), где:
3 - линия раздела базовых фоточувствительных n-областей;
4 - ячейка;
5 - диоды первой пары;
6 - диоды третьей пары;
7 - диоды второй пары;
8 - диоды четвертой пары;
9 - перемычки.
Устройство работает следующим образом.
+
+
+
0
При приложении к первому резистивнму n-слою 10 постоянного напряжения пары встречно включенных диодов (5, 6, 7, 8) оказываются под воздействием линейно распределенного напряжения. При воздействии оптического сигнала на первую и вторую базовые фотоприемные n-области 2 Мультискана возникает фототок, направление и величина которого соответствует вольт-амперной характеристике прибора, имеющей положительную и отрицательную области насыщения и переходную зону. Фототок за счет заряда общей емкости датчика за время, соответствующее быстродействию датчика, изменяет потенциал второго резистивного n-слоя 11 так, что положение нулевой эквипотенциали смещается в центр светового пятна, где фототоки слева и справа от энергетического центра сигнала равны между собой, а результирующий фототок равен нулю. Таким образом, возникающее на втором резистивном n-слое 11 напряжение U, при котором полный суммарный ток сигнала на выходе Мультискана устанавливается равным нулю, соответствует координате центра оптического сигнала. Это напряжение с датчика через эмиттерный повторитель устройства для определении положения светового пятна, частью которого является Мультискан, выводится на регистрирующее устройство.
ПРИМЕР 1.
Для подтверждения возможности повышения быстродействия был создан модифицированный Мультискан со следующими параметрами:
d
1
3
d
2
d
4
d
1
1
d
2
2
d
4
4
d
+
+
+
+
L=100 мкм; ширина каждой базовой фоточувствительной n-области 2 F=480 мкм; длина каждой базовой фоточувствительной n-области 2 L=20 мм; шаг (расстояние) h между ячейками 4, каждая из которых состоит из четырех пар встречно-включенных дискретных pn диодов, расположенных с шагом h вдоль линии раздела, h=30 мкм; диаметр каждого из диодов d=10 мкм; расстояние от линии раздела 3 светочувствительных областей 2 до первой пары 5 и третьей пары 6 диодов ячейки 4 (до их центров) N=N=2.5·L=250 мкм; расстояние от линии раздела 3 светочувствительных областей 2 до второй пары диодов 7 ячейки 4 N=0.8·L=80 мкм; расстояние от линии раздела 3 светочувствительных областей 2 до четвертой пары диодов 8 ячейки 4 N=4.2L=420 мкм; ширина перемычек 9, соединяющих пары диодов, расположенных напротив друг друга 1.5d=15 мкм; длина перемычки 9, соединяющей между собой соответственно первые и третьи диоды, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовой фоточувствительной n-областях, P=(2N+20) мкм = (5L+20) мкм=520 мкм; длина перемычки, соединяющей вторые диоды, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовой фоточувствительной n-областях P=(2N+20) мкм = (1.6L+20) мкм = 180 мкм; длина перемычки, соединяющей четвертые диоды, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовой фоточувствительной n-областях 2, P=(2N+20) мкм = (8.4L+20) мкм = 860 мкм; расстояние от линии раздела 3 до первого 10 и второго 11 резистивных n-слоев F=480 мкм; ширина резистивных n-слоев 10 и 11 равна 100 мкм, длина каждого из резистивных n-слоев равна 20 мм.
-5
-5
d
F
Была определена величина фототока при мощности света, падающего на фоточувствительную поверхность датчика, равной W=3-10 Вт и L=100 мкм для прототипа - I=0,6·10A.
F
-5
Для заявляемого изобретения с приведенными выше параметрами при тех же условиях величина фототока I=1.8·10A.
Т.е. эффективность генерации и собирания ННЗ на Мультискане увеличилась в 3 раза.
-5
-6
Было измерено быстродействие Мультискана как минимальное время определения координаты оптического сигнала при W=3-10 Вт по фронту нарастания выходного напряжения прибора при импульсном оптическом сигнале. Оно составило величину 3.3·10 с.
Созданный Мультискан имеет следующие характеристики:
- точность определения координаты*, мкм
<5
- координатное разрешение, мкм
0.2
- темновой ток, А(U=10 В)
10<sup>-8</sup>÷10<sup>-11</sup>
- быстродействие (минимальное время определения
координаты при W=3·10<sup>-5</sup> Вт), с
3.3·10<sup>-6</sup>
Т.о. осуществлено повышение быстродействия координатно-чувствительного датчика Мультискан в 3 раза при сохранении остальных характеристик датчика (разрешающей способности и точности), свойственных прототипу.
Пример 2.
То же, что в примере 1, но F=430 мкм.
-5
-5
d
F
Величина фототока при мощности света, падающего на фоточувствительную поверхность датчика, равной W=3·10 Вт, и L=100 мкм получилась равной I=1.6·10 А.
-5
-6
Быстродействие Мультискана как минимальное время определения координаты оптического сигнала при W=3·10 Вт составило величину 2.9·10 с.
Осуществлено повышение быстродействия координатно-чувствительного датчика Мультискан в 2.6 раза.
Пример 3.
То же, что в примере 1, но F=510 мкм.
-5
-5
d
F
Величина фототока при мощности света, падающего на фоточувствительную поверхность датчика, равной W=3·10 Вт, и L=100 мкм получена равной I.=1.9·10А.
-5
-6
Быстродействие Мультискана как минимальное время определения координаты оптического сигнала при W=3·10 Вт составило величину 3.2·10 с.
Осуществлено повышение быстродействия координатно-чувствительного датчика Мультискан в 3.2 раза.