CN102759327A - 一种用于检测二维光点位置的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测二维光点位置的传感器，该传感器包括半导体层、绝缘薄膜层、金属导电薄膜层、光敏电阻薄膜层、电阻薄膜层和四个大小相同的引出电极，半导体层位于最下方，绝缘薄膜层、金属导电薄膜层、光敏电阻薄膜层和电阻薄膜层从下向上依次贴合布设在半导体层的顶面，并且光敏电阻薄膜层的顶面面积和电阻薄膜层的顶面面积分别小于金属导电薄膜层的顶面面积，引出电极连接在电阻薄膜层的顶面，引出电极之间有间隙，且四个引出电极位于正方形的四条边上，且相对的两个引出电极围绕正方形的中心点相互对称。该结构的传感器可以用于检测二维光点位置，并且制造成本低廉、测量灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器结构，具体来说，涉及一种用于检测二维光点位置的传感器。
背景技术
光点位置传感器在光学位置和角度的测量与控制、远程光学控制系统、位移和振动监测、激光光束校准、自动范围探测系统以及人体运动及分析系统等领域有广泛的应用。传统的光点位置检测传感器是制作在硅材料上的，由大面积PIN光电二极管构成,它与分立单元探测器阵列相比，具有位置分辨率高、响应电流简单、快速等优点。近年也有SOI衬底硅上制造PIN型光点位置检测传感器的报道。采用PIN结构实现光点位置检测虽然有检测灵敏度高等前述优点，但由于涉及到使用近本征的I层材料层，使制造成本大大增加。因此如何改进现有光点位置传感器结构，降低制造成本为目前光点位置传感器设计的一个重要问题。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于检测二维光点位置的传感器，该结构的传感器可以用于检测二维光点位置，并且制造成本低廉、测量灵敏度高。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于检测二维光点位置的传感器，该传感器包括半导体层、绝缘薄膜层、金属导电薄膜层、光敏电阻薄膜层、电阻薄膜层和四个大小相同的引出电极，半导体层位于最下方，绝缘薄膜层、金属导电薄膜层、光敏电阻薄膜层和电阻薄膜层从下向上依次贴合布设在半导体层的顶面，并且光敏电阻薄膜层的顶面面积和电阻薄膜层的顶面面积分别小于金属导电薄膜层的顶面面积，引出电极连接在电阻薄膜层的顶面，引出电极之间有间隙，且四个引出电极位于正方形的四条边上，且相对的两个引出电极围绕正方形的中心点相互对称。
进一步，所述的电阻薄膜层由透明引出电极材料制成。
进一步，所述的光敏电阻薄膜层由硫化镉制成。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.制造成本低廉。现有技术中的光点位置检测传感器采用PIN型结构，制造成本高。而本发明的传感器包括半导体层、绝缘薄膜层、金属导电薄膜层、光敏电阻薄膜层、电阻薄膜层和引出电极六个部件，在普通半导体硅材料上采用标准半导体制造工艺加工，可以完成本传感器的制作，由于薄膜材料价格低廉，且可采用溅射方法实现薄膜，因此材料价格和加工成本都比较低。该器件可采用普通硅片进行制造，因此显著降低了器件制造成本。
2.测量简单，且灵敏度高。现有的光点位置检测传感器的工作原理是，在近本征的高阻材料上制造PN结并使其工作在反偏状态，当光照时将在扩展到本征材料一侧的反偏耗尽区中产生光生载流子，该光生载流子构成的电流在表面低阻扩散层中进行再分配，通过测量这些再分配得电流就可计算光照位置。本发明的传感器是基于光敏电阻受光照急剧变化的原理实现光点位置的检测，当没有光照时，电阻薄膜层和金属导电薄膜层被电阻很大的光敏电阻薄膜层分隔。工作时，引出电极和金属导电层之间施加电压，利用光照会使照射点下局部短路产生可观的漏电流。该电流在电阻薄膜层中横向流动并根据正面四个引出电极位置分配电流大小。通过测量这四个引出电极上的电流大小就可获得光点位置信息。因此，本发明的传感器的测量简单。同时本发明的传感器检测范围大，且无死区，测量灵敏度高。光照点没有光照区域的限制，只要照在电阻薄膜层上即可，检测范围大，且无死区。
3.输出电流可控，有利于提高测量灵敏度。在本发明中，电阻薄膜层的电阻是固定的，通过控制相对的两个电极上的加载电压，即可控制输出电流的大小。输出电流大时，测量的电流也较大，不容易受周围环境噪声的影响，有利于提高测量灵敏度。
4.加工工艺简单。本发明的传感器制备时，首先选取半导体材料，然后通过氧化在半导体层的上表面生长一层绝缘薄膜层，再通过溅射或蒸发原理依次在表面沉积金属导电薄膜层、光敏电阻薄膜层、电阻薄膜层和金属铝，接下来通过光刻及腐蚀形成引出电极，最后在通过光刻、腐蚀电阻薄膜层和光敏电阻薄膜层露出金属导电薄膜层。整个工艺都是薄膜工艺。相对于传统的传感器的制备，本发明的传感器加工工艺简单，对环境要求低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中有：半导体层1、绝缘薄膜层2、金属导电薄膜层3、光敏电阻薄膜层4、电阻薄膜层5、引出电极6。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明的一种用于检测二维光点位置的传感器，包括半导体层1、绝缘薄膜层2、金属导电薄膜层3、光敏电阻薄膜层4、电阻薄膜层5和四个引出电极6。半导体层1可以采用硅材料制成。半导体层1位于最下方，绝缘薄膜层2、金属导电薄膜层3、光敏电阻薄膜层4和电阻薄膜层5从下向上依次贴合布设在半导体层1的顶面，并且光敏电阻薄膜层4的顶面面积和电阻薄膜层5的顶面面积分别小于金属导电薄膜层3的顶面面积，引出电极6连接在电阻薄膜层5的顶面，引出电极6之间有间隙，且四个引出电极6位于正方形的四条边上，且相对的两个引出电极6围绕正方形的中心点相互对称。
该传感器包括金属导电薄膜层3、光敏电阻薄膜层4和电阻薄膜层5。当没有光照时，电阻薄膜层5和金属导电薄膜层3被电阻很大的光敏电阻薄膜层4分隔。工作时，光照在该传感器表面时，并且引出电极6和金属导电层3之间施加电压，利用光照会使照射点下局部短路产生可观的漏电流。该电流在电阻薄膜层5中横向流动并根据正面四个引出电极6位置分配电流大小。通过测量这四个引出电极6上的电流大小就可获得光点位置信息。该器件可采用普通硅片进行制造，因此显著降低了器件制造成本。
上述结构的传感器的工作原理是：光敏电阻薄膜层4在没有光照射时电阻很大，近似为绝缘材料。当光斑照射在传感器上表面某点时，将透过电阻薄膜层5，被光敏电阻薄膜层4吸收，则与该点对应的光敏电阻薄膜层4上的电阻急剧下降，使该点位置的电阻薄膜层5和下方的金属导电薄膜层3近似短路。如果在四个引出电极6和金属导电薄膜层3之间加一电压，则光照处将有电流流过。该电流在电阻薄膜层5开始横向流动，且由于有四个引出电极6，引出电极6离光照距离不同，从而造成电流在电阻薄膜层5再分配，通过电流的比例分配可计算出光点在表面的二维位置。具体来说，通过测量四个引出电极6上的四个电流大小，以及建立传感器正中心位置为原点，且横向为x方向，纵向为y方向的坐标系，利用以下公式确定光点位置在坐标系中的坐标（x,y）：
式中，L为相对的两个引出电极6之间的距离，单位：米；IL为位于左侧的引出电极上流过的电流，单位：安培；IR为位于右侧的引出电极上流过的电流，单位：安培；IT为位于前侧的引出电极上流过的电流，单位：安培；IB为位于后侧的引出电极上流过的电流，单位：安培。
该结构的传感器的制作过程为：首先选取半导体材料，如硅片，制成半导体层1，然后通过氧化在半导体层1的上表面生长一层绝缘薄膜层2，再通过溅射或蒸发原理依次在表面沉积金属导电薄膜层3（比如金属铝）、光敏电阻薄膜层4（比如CdS）、电阻薄膜层5（比如ITO）和金属铝，接下来通过光刻及腐蚀形成引出电极6，最后在通过光刻、腐蚀电阻薄膜层5和光敏电阻薄膜层4露出金属导电薄膜层3。整个工艺都是薄膜工艺，因此不仅可以在硅圆片上作，甚至可以在陶瓷，玻璃等其他基材上完成上述传感器的制作。
进一步，所述的电阻薄膜层5由透明引出电极材料制成，例如氧化铟锡（ITO）。采用ITO的优点是导电且透明，由于是金属氧化物，因此电阻比纯金属更大，更适合作为电阻。
进一步，所述的光敏电阻薄膜层4由硫化镉制成。当然光敏电阻薄膜层4还可以是其他光敏材料制成，例如硫化铝、硫化铅或者硫化铋。
Claims (3)
1.一种用于检测二维光点位置的传感器，其特征在于，该传感器包括半导体层（1）、绝缘薄膜层（2）、金属导电薄膜层（3）、光敏电阻薄膜层（4）、电阻薄膜层（5）和四个大小相同的引出电极（6），半导体层（1）位于最下方，绝缘薄膜层（2）、金属导电薄膜层（3）、光敏电阻薄膜层（4）和电阻薄膜层（5）从下向上依次贴合布设在半导体层（1）的顶面，并且光敏电阻薄膜层（4）的顶面面积和电阻薄膜层（5）的顶面面积分别小于金属导电薄膜层（3）的顶面面积，引出电极（6）连接在电阻薄膜层（5）的顶面，引出电极（6）之间有间隙，且四个引出电极（6）位于正方形的四条边上，且相对的两个引出电极（6）围绕正方形的中心点相互对称。
2.按照权利要求1所述的用于检测二维光点位置的传感器，其特征在于，所述的电阻薄膜层（5）由透明引出电极材料制成。
3.按照权利要求1所述的用于检测二维光点位置的传感器，其特征在于，所述的光敏电阻薄膜层（4）由硫化镉制成。
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| WO2014000352A1 (zh) | 2014-01-03 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121031 |