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《浙江大学》 2001年
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位置敏感探测器的研究

黄梅珍  
【摘要】: 位置敏感探测器(Position Sensitive Detector——PSD)是一种基于半导体pn结横 向光电效应的光电器件,它能连续地检测入射光斑的重心位置。具有分辨率高、响应速 度快、信号处理相对简单、检测位置的同时还能检测光强等优点,适用于位置、距离、 位移、角度以及其他相关物理量的精密测量。本文围绕如何提高PSD的线性度这个中 心,系统深入地研究了PSD的理论、结构设计、制作工艺、信号处理以及应用等问题。 本文在综述国内外PSD的研究发展状况、阐明本文选题依据之后,首先研究了PSD 有关的理论问题。从Lucovusky方程出发,以一维PSD为模型,结合器件工作条件,求 解了Lucovusky方程在多种不同条件下的解析解,重点讨论了一维PSD的位置线性条件 和响应特性,并讨论了PSD的主要性能参数以及影响这些参数的主要因素。这些为高 性能PSD器件的设计和制作提供了理论依据。 从优化结构设计的角度研究了提高一维PSD线性度的问题。提出了梳状结构一维 PSD的设计原理,首次理论分析了该结构的工作原理和特性,并实际制作了1mm×8mm 器件,对器件性能参数进行的测试结果表明,所研制的梳状结构一维PSD具有良好的 性能,尤其是具有优良的线性度,均方根非线性0.1%,典型位置误差±5μm,该性能 参数达到国内领先水平。 深入研究了如何提高二维PSD线性度的问题。首先理论分析和计算了四边形结构 二维PSD的场分布,首次得到了输出电流表达式,并进一步计算了它的非线性分布, 所得结果与实验完全符合,从而揭示了引起该结构PSD非线性的真正原因。在此基础 上,提出了一种可以有效减小该结构PSD位置误差的系数修正方法,并开发了基于该 方法的适用于任意尺寸四边形结构PSD的信号处理器。实验结果表明:使用该处理器 后,使该结构PSD(光敏面为13mm×13mm)的典型位置误差由原来的±1010μm减小 到±20μm,实现在60%有效光敏区域内均方根非线性小于0.15%,这是目前国内外有 关二维PSD位置误差的最好结果。采用类似的理论计算方法得到了四边形结构改进型 PSD和带边框电阻条的方形结构PSD的电流-位置关系,分析了这两种结构PSD的非 线性分布。此外还对具有良好线性度的枕形结构二维PSD进行了研究,给出了Gear定 理的一种证明,根据Gear定理设计并制作了8mm×8mm枕形结构二维PSD。 首次用有限元方法研究了PSD结构对PSD线性度的影响。提出了一种PSD物理模 型,利用该模型计算了带电阻边框型(方形和枕形)PSD结构、四边形PSD结构和一 维PSD结构的电流-位置关系,所得结果与已有实验结果完全吻合。得到了具有实践 指导意义的线性PSD结构重要参数和应用数据。该研究为PSD器件复杂结构设计提供 了一种切实可行的数值模拟和计算方法。 对PSD的信号处理技术进行了研究,分析计算了PSD及其应用系统的噪声,研制 了基于单片机的一维和二维PSD的倩号处理器。与一般的PSD信号处理器相比,该处 理器具有精度高、能实时显示测量位置、可适用于不同大小和不同结构的PSD等优点。 本文最后研究了将PSD应用于水准测量的有关问题,设计了一种基于PSD的数字 式光电水准仪,具有结构简单、精度高、可以同时测量倾角和方位等特点。该成果已经 申报实用新型专利。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TN364

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 尚鸿雁;;位置敏感探测器的响应时间分析[J];半导体光电;2008年06期
2 李田泽;王淑云;张霞;;基于半导体光电位置敏感器件厚度检测仪研制[J];半导体光电;2010年01期
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4 孙萍;秦明;;一种基于光点位置敏感器件的风速风向测试系统设计[J];东南大学学报(自然科学版);2010年06期
5 全凌云;谭建平;王宪;成小乐;;高精度挤压机中线同轴度实时检测系统研究[J];锻压技术;2012年03期
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7 陈冬严,林斌,陈钰清;位置敏感探测器(PSD)的研究进展[J];光学仪器;2004年04期
8 戚巽骏;林斌;林眉德;;二维方型位置敏感探测器线性度的研究[J];光学仪器;2006年06期
9 杨晓峰;张婷婷;张金云;;扫描器运动控制特性测试系统[J];电光与控制;2012年08期
10 李田泽;申晋;盛翠霞;韩玉莹;暴敏;;半导体位置敏感探测器新型结构研究[J];电子元件与材料;2012年09期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 胡长德;钱征宇;齐永岳;李艳霞;;一种基于PSD的精密平面测量方法[A];第三届全国虚拟仪器大会论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前9条
1 鞠华;逆向工程中自由曲面的数据处理与误差补偿研究[D];浙江大学;2003年
2 刘京诚;微小步行爬壁机器人驱动与位置检测技术及系统[D];重庆大学;2003年
3 陶忠祥;位置敏感探测器在头位跟踪中的应用研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2005年
4 郭丽峰;电梯导轨不平顺度测量、建模及轿箱水平振动特性的研究[D];天津大学;2005年
5 吴恩启;微细管道内表面检测及三维重建关键技术研究[D];浙江大学;2005年
6 陈麟;光波导波长传感器和古斯—汉欣效应的研究[D];上海交通大学;2008年
7 曹国华;大型机组轴系激光对中精密检测技术研究[D];长春理工大学;2008年
8 陈麟;光波导波长传感器和古斯-汉欣效应的研究[D];上海交通大学;2008年
9 黄银国;激光自准直微小角度测量基础技术研究[D];天津大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张明富;小角度测量仪的研制[D];哈尔滨理工大学;2010年
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3 吴腾蛟;基于数字信号处理技术的PSD相位法多光束同步检测系统研究[D];重庆大学;2011年
4 林永涛;PSD综合性能检测系统的研制[D];浙江大学;2012年
5 卜令涛;基于PSD技术的布长精确测量系统研究与设计[D];南京理工大学;2011年
6 叶华俊;正电子成像系统关键技术的研究[D];浙江大学;2003年
7 杨富;10.6 μm激光辐照下光学薄膜热畸变和微弱吸收的研究[D];四川大学;2003年
8 彭慧;基于PSD的三维位置检测新方法[D];重庆大学;2003年
9 侯金龙;PSD激光三角测量系统的研制[D];华中科技大学;2005年
10 卢剑光;基于激光平面的平面测量系统的研究[D];天津大学;2005年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 蔡喜平,赵远,戴永江,南京达,李淳飞;空间飞行器对接的PSD近程操作模拟器[J];光电工程;1996年06期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
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3 郭丽峰;电梯导轨不平顺度测量、建模及轿箱水平振动特性的研究[D];天津大学;2005年
4 吴恩启;微细管道内表面检测及三维重建关键技术研究[D];浙江大学;2005年
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 苏卫卫;刘扬;许友生;;垃圾填埋场中热效应和渗流机理的数值模拟[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
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3 阚瑞峰;刘文清;张玉钧;刘建国;王敏;陈东;陈玖英;夏惠;方曦;崔益本;;数字滤波技术在激光光谱温室气体监测中的应用[A];光子科技创新与产业化——长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C];2006年
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7 罗敏;刘巨保;张强;;旋转细长杆柱动力学分析在抽油杆扶正器设计中的应用[A];第十一届全国非线性振动学术会议暨第八届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2007年
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9 邓爱民;徐道远;;基于数值模拟的混凝土系列有效断裂判据[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
10 夏伯才;钱翰城;王永强;姚向东;;铸件挽救经济决策模型[A];重庆市机械工程学会铸造分会、重庆铸造行业协会2010重庆市铸造年会论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 高晓阳;甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究[D];甘肃农业大学;2010年
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9 孟庆鸿;松科1井复杂地层取心钻具及泥浆优化设计和应用研究[D];中国地质大学(北京);2011年
10 刘向东;24kV永磁机构真空断路器关键技术研究[D];沈阳工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 孙威;Φ800mm通光口径纹影系统结构分析与设计[D];中国工程物理研究院;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王蔚佳;高层建筑电梯安装导轨检测新技术[J];安装;2000年01期
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6 霍震,唐诗才;位置敏感光电探测器[J];半导体光电;1998年01期
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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2 李卫国;逆向工程中的曲面重构技术研究及基于Web的应用系统开发[D];南京航空航天大学;2001年
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5 黄自元;扫描探针显微镜智能自动化策略研究及应用[D];上海大学;2004年
6 陈贵敏;振动环境下光束指向稳定及其光机电一体化关键技术[D];西安电子科技大学;2005年
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8 李亦军;基于Mie散射的微粒浓度和粒度测试的理论与实验研究[D];中北大学;2005年
9 夏豪杰;高精度二维平面光栅测量系统及关键技术研究[D];合肥工业大学;2006年
10 胡庆泉;原子力显微镜动力学行为分析[D];上海大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李旷野;基于PSD的高精度位移传感器的研究[D];长春理工大学;2010年
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3 施嫚嫚;小型快速扫描近红外分光光度计的研制[D];上海交通大学;2011年
4 吴腾蛟;基于数字信号处理技术的PSD相位法多光束同步检测系统研究[D];重庆大学;2011年
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6 赖万玖;PSD在三维测量中的应用研究[D];电子科技大学;2001年
7 陈小文;高精度圆感应同步器测角系统的研究[D];中国科学院西安光学精密机械研究所;2001年
8 林开颜;电梯导轨垂直度测量方法的研究[D];长春光学精密机械学院;2001年
9 刘剑锋;PSD定位理论及其在引信中的应用研究[D];南京理工大学;2002年
10 路国华;非接触生命参数检测系统自抖动干扰抑制技术[D];第四军医大学;2002年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 孙长敬;单越康;;基于PSD和激光三角测量法的电能表转盘跳动误差测量[J];电测与仪表;2008年06期
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4 全凌云;谭建平;王宪;成小乐;;高精度挤压机中线同轴度实时检测系统研究[J];锻压技术;2012年03期
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6 何敏;刘荣;关宇;龚晶;;采用PSD测量汽车的前束值和推进角[J];电子测量技术;2009年09期
7 张大兴;贾威;官伯林;;基于光电位移检测的振动测量控制技术[J];电子测量与仪器学报;2009年S1期
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9 李海军;;基于PSD的微小倾角测量系统的研究[J];仪器仪表用户;2007年03期
10 孔令臣;李恩普;杨德兴;邢辉;;一般模式点光源下一维PSD的响应函数[J];光电工程;2011年06期
中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 张大兴;贾威;官伯林;;基于光电位移检测的振动测量控制技术[A];2009安捷伦科技节论文集[C];2009年
2 何敏;刘荣;闵锐;;位置传感器PSD的应用电路设计[A];2009安捷伦科技节论文集[C];2009年
3 胡长德;钱征宇;齐永岳;李艳霞;;一种基于PSD的精密平面测量方法[A];第三届全国虚拟仪器大会论文集[C];2008年
4 张瑞;李建华;;逆向工程的关键技术及其最新发展[A];先进制造技术高层论坛暨第六届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2007年
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【二级参考文献】
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3 黄梅珍,林斌,唐九耀,曹向群,陈钰清,朱列伟;四边形电极结构二维PSD非线性及失真分析[J];半导体光电;2000年04期
4 张福学,李擎;传感器的信号处理[J];传感器技术;1993年03期
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9 周莉萍,赵斌,李柱;无衍射光束在激光三角测量系统中的应用研究[J];激光技术;1998年01期
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【相似文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 黄梅珍;位置敏感探测器的研究[D];浙江大学;2001年
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