CN116817752A - 位置传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种位置传感器，该位置传感器包括绝缘的衬底层、电极、导电环、光电传感区和阵列电阻；所述光电传感区设于所述衬底层上，所述光电传感区包括导电层和呈方形的光电区，所述光电区感光后会产生电流，所述光电区在横向上依次排列，所述导电层设于每个所述光电区的边缘且能够将产生的电流导出到所述阵列电阻；所述光电传感区呈方形，所述阵列电阻设置在所述衬底层上，且每个所述光电区在纵向上都能对应所述阵列电阻；所述电极与所述阵列电阻电性连接；所述导电环环设于所述衬底层并围绕所述电极和所述光电传感区。实施本发明中的位置传感器，能够实现一种更高精度的位置传感器。
Description
技术领域
本发明涉及光电位置传感器技术领域，尤其涉及一种位置传感器。
背景技术
位置传感器(PositionSensitivedetector，PSD)是基于半导体薄膜的电子元件，其工作原理是利用横向光电作用，光点照射部分的半导体薄膜产生光生电子，电子浓度差异造成光生电子向两电极间流动形成可探测电流，根据电流差进而计算出光点在传感器表面的照射位置。
现有技术中的PSD利用横向效应光电二极管(LEP)的工作原理实现的位置传感器是目前最佳的位置传感器，能够准确而简单地检测此类系统中的光斑位置。LEP结构的位置响应在理论上是线性的，其精度不受光斑截断或非最佳采样的影响，就像由分立光敏传感器组成的探测器一样。光斑位置仅通过计算信号电流之间的差值并通过其和对差值进行归一化即可获得，这项任务可以使用基于跨线性原理的简单模拟电路来完成。然而，LEP的实际实现存在非线性和高噪声问题。对于高质量的两轴设备，主要由电流分割层的不均匀性引起的非线性通常为0.3％(标准偏差)。为了保持高线性度和速度，电流分割层的片状电阻较低(通常为10kΩ)，与其他光电探测器相比，产生高噪声。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种位置传感器，以实现一种更高精度的位置传感器。
为此，一种实施例中提供了一种位置传感器，包括绝缘的衬底层、电极、导电环、光电传感区和阵列电阻；
所述光电传感区设于所述衬底层上方，所述光电传感区包括导电层和呈方形的光电区，所述光电区感光后会产生电流，所述光电区在横向上依次排列，所述导电层设于每个所述光电区的边缘且能够将产生的电流导出到所述阵列电阻；
所述光电传感区呈矩形，所述阵列电阻设置在所述衬底层上，且每个所述光电区在纵向上都能对应所述阵列电阻；
所述电极与所述阵列电阻电性连接；
所述导电环环设于所述衬底层并围绕所述电极和所述光电传感区。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述阵列电阻由多个相同规格的电阻单元依次排列组成，所述电阻单元设于所述光电区与所述衬底层之间，且每个所述电阻单元与所述光电区一一对应。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述阵列电阻对称设于所述光电传感区相对的两边，所述电极对称设于所述阵列电阻的两端附近。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述阵列电阻由多个相同规格的电阻单元依次排列组成。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，还包括光屏蔽层，所述光屏蔽层覆盖所述阵列电阻。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，相邻的两个所述电极中间设一个所述阵列电阻。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述电阻单元在所述衬底层上设有一层N型半导体，在N型半导体上间隔设置P型半导体，相邻的两个P型半导体之间设有多晶体，所述多晶体包括依次层叠于N型半导体上的第一绝缘层、POLY和第二绝缘层，所述P型半导体和所述多晶体之间设有金属。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述导电层包括由P型半导体构成的导电凹槽，所述导电环包括N型半导体。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述光电区在纵向上也阵列排列，每个所述光电区在横向上都能对应所述阵列电阻。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述衬底层包括二氧化硅。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述光电区是由P型半导体和N型半导体构成的PN结。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述阵列电阻包括金属膜电阻。
作为所述位置传感器的进一步可选方案，所述阵列电阻包括碳电阻。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
依据以上实施例中的位置传感器，由于光电区呈方形，根据横向光电原理，当光斑照射在光电区时，会产生横向的电势差，从而产生电流。光斑处到光电区的边缘距离决定的了电流的大小，通过导电层使边缘处的电流流出到电极处。电极连接测量仪器，通过测量电流和电压从而确定了光斑在光电区的准确位置。光电区在横向上依次排列，每个光电区在纵向上都能对应阵列电阻，电流有自行找到最近路线的性质，所以通过测量电阻值的大小可以确定光斑具体落在的光电区。通过先确定光电区再确定光斑在光电区的具体的位置，可以使本发明的位置传感器的测量精度更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1示出了根据本发明实施例所提供的横向光电效应的原理示意图；
图2示出了根据本发明实施例所提供的一维位置传感器的俯视示意图；
图3示出了根据本发明实施例所提供的二维位置传感器的俯视示意图
图4示出了根据本发明实施例所提供的电阻单元的侧截面示意图；
图5示出了根据本发明实施例所提供的部分光电传感区的俯视示意图；
图6示出了根据本发明实施例所提供的部分光电传感区的侧截面示意图；
图7示出了根据本发明实施例所提供的位置传感器的在电子显微镜下的实物俯视图；
图8示出了图7中左上角处的局部放大图；
图9示出了根据本发明又一实施例所提供的横二维位置传感器的结构示意图。
主要元件符号说明：
衬底层-10；电极-20；导电环-30；光电传感区-40；阵列电阻-50；导电层-410；光电区-420；电阻单元-510；P型半导体-1；N型半导体-2；POLY-60；金属-70；第二绝缘层-80；第一绝缘层-90。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以容许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本发明实施例中提供了一种位置传感器，请参考图1-3和图5，该位置传感器包括绝缘的衬底层10、电极20、导电环30、光电传感区40和阵列电阻50；
光电传感区40设于衬底层10上方，光电传感区40包括导电层410和呈方形的光电区420，光电区420感光后会产生电流，光电区420在横向上依次排列，导电层410设于每个光电区420的边缘且能够将产生的电流导出到阵列电阻50；
光电传感区40呈矩形，阵列电阻50设置在衬底层10上，且每个光电区420在纵向上都能对应阵列电阻50；
电极20与阵列电阻50电性连接；
导电环30环设于衬底层10并围绕电极20和光电传感区40。
依据以上实施例中的位置传感器，由于光电区420呈方形，根据横向光电原理，当光斑照射在光电区420时，会产生横向的电势差，从而产生电流。光斑处到光电区420的边缘距离决定的了电流的大小，通过导电层410使边缘处的电流流出到电极20处。电极20连接测量仪器，通过测量电流和电压从而确定了光斑在光电区420的准确位置。光电区420在横向上依次排列，每个光电区420在纵向上都能对应阵列电阻50，电流有自行找到最近路线的性质，所以通过测量电阻值的大小可以确定光斑具体落在的光电区420。通过先确定光电区420再确定光斑在光电区420的具体的位置，可以使本发明的位置传感器的响应更快，且精度更加灵敏。
请参考图1，横向光电效应是指当半导体的PN结或肖特基结受到非均匀光照时，除了在结的两边产生纵向光电效应外，在结平面上也产生了光生电势降落的现象。以四边形的二维位置敏感探测器为例，入射光斑产生的电流通过四边的四个电极20输出，如果入射光斑坐标原点取在光敏面的中心，则入射光斑的位置坐标为：
X＝L/2*(I2-I1)/(I1+I2)，Y＝L/2*(I4-I3)/(I4+I3)，其中，
L为四边形位置敏感探测器的边长，I1、I2、I3、I4分别对应从四个电极20输出的电流。
在本实施例中，光电传感区40有许多方形的光电区420产生，光电区420之间由导电层410导电，阵列电阻50设于光电传感区40相对的两边。这种情况下，阵列电阻50和滑动电阻的功能特性相当。当光斑照射在其中一个光电区420时，光电区420的导电层410会使电流走最短的路径到达光电区420边长对应的阵列电阻50。四个电极20分别对应光电区420的四个边缘的电流的大小。
位置传感器可以由100*100阵列排布的光电区420组成，位置传感器的总面积是2.5*2.5平方毫米。
请参考图3、图5和图8，光斑照射在光电区420时，产生一个向左的电流I5，其对应的电流是左上角的电极20。由于电流I5是恒定的，所以经过阵列电阻50时使电阻两边的电压改变。基于安培定理，U5＝I5*R5，所以能够通过测量左上角的电极20的电压U5，从而测算出I5电流的电路回路中的电阻R5。已知阵列电阻50的全部电阻值，通过测量得出的R5与阵列电阻50的全部电阻值的比值就可以测量出受光斑照射处的光电区420的位置，从而确定在Y方向上光电区420的坐标位置。
同理，光斑照射在光电区420时，产生一个向上的电流I6，其对应的电流是右上角的电极20。可以测量出此电极20对应的电压U6，从而倒算出其对应的电路回路中的电阻R6。最终，实现计算出受光斑照射的光电区420在X方向的坐标位置。
优选地，还可以同时计算另外两个电极20的电压，再倒算出光电区420的坐标位置，想过两个数值的对比和综合分析，可以使光电区420的坐标位置更加准确，使本发明中的位置传感器更加可靠。
已知光电区420的坐标位置已经可以粗略定位光斑的位置了，一般情况下，光电区420的单边长1.2微米，此时本发明的位置传感器的精度已经到达微米级别。
接下来，只需要通过简单的横向光电原理，测量电极20中电流I5、I6、I7、I8，就可以进一步得到光斑在此光电区420的更精确的位置坐标。从而很容易使得本发明中的位置传感器突破纳米级的测量精度。
具体地，由于光斑照射在光电区420时，电势是从光斑中心依次降低的，所以只需要计算I5和I7，I6和I8的电流差值就可以精确计算出光斑中心的位置。计算结果中I5和I7的差值决定了光斑中心在X方向的具体位置坐标，I6和I8的差值决定了光斑中心在Y方向的具体位置坐标。二者综合，可以得到光斑中心的具体坐标位置。
图8中是本发明的位置传感器的左上角的芯片的微观示意图，可以理解为芯片的制造原理图。
在本发明中，只需要计算I5和I7的差值，I6和I8的差值，所以光斑的强度和形状对本发明的坐标位置没有影响，从而本发明的适用范围广泛。
在某些具体的实施例中，阵列电阻50由多个相同规格的电阻单元510依次排列组成，电阻单元510设于光电区420与衬底层10之间，且每个电阻单元510与光电区420一一对应。
请参考图9，为本发明中的位置传感器的一实施例。在此实施例中，将阵列电阻50设置在光电区420下方，阵列电阻50与光电区420一一对应。多个电阻单元510之间由导电层410电性连接。光电区420产生横向电流经过多个相当于串联起来的电阻单元510，通过计算电阻值从而确定光电区420的位置。
具体地，图9a是二维排列的光电传感区40，图9b是二维排列的阵列电阻50，光电传感区40和阵列电阻50的规格大小是一样的。请参考图9c，在生产制造过程中，将光电传感区40和阵列电阻50集成在一起。其中，光电传感区40位于阵列电阻50的上。在这种结构中，本发明中的位置传感器的平面体积更小，也更加容易将电阻单元510与光电区420一一对应。
在某些具体的实施例中，阵列电阻50对称设于光电传感区40相对的两边，电极20对称设于阵列电阻50的两端附近。
在本实施例中，请参考图2和图3，阵列电阻50没有与光电区420层叠设置，这么做主要是便于加工芯片，减少芯片生产制造难度。
在某些具体的实施例中，阵列电阻50由多个相同规格的电阻单元510依次排列组成。为了更加精确的测量出受光斑照射的光电区420的位置，阵列电阻50由多个电阻单元510来实现测量的结果更加准确，也能够使测量的数据的线性度更高。
请参考图3、图7和图8，一般情况下，光电区420是100*100阵列排布，那么每一个阵列电阻50具有的电阻单元510也是100个，这样可以一一对应，保证数据的线性度。
进一步地，每个光电区420在X方向和Y方向对应一个电阻单元510，这样在确定光电区420的位置更加准确，也能进一步保持测量数据的线性度。
在某些具体的实施例中，还包括光屏蔽层，光屏蔽层覆盖阵列电阻50。
假设用于提取输出电流的信号提取电极20形成在电阻区域的两端。在这种情况下，如果与这些电极20相邻的导电层410受到入射光束的照射，由于信号提取电极20受到部分入射光束的辐照，因此每个入射光束的重心位置偏离朝向分支导电层410侧的真实位置，导致位置检测精度降低。
当电阻区域受到光照射时，根据光的形状，计算的入射光位置可能偏离真实值。因此，当需要更高的精度时，该半导体位置灵敏探测器包括在电阻区域上形成的遮光膜或者铝膜，从而进一步提高位置检测精度。
需要说明的是，在本实施例中，还可以用一些隔光的胶水来实现。
在某些具体的实施例中，请参考图6，导电层410包括由P型半导体1构成的导电凹槽。
由于本发明的位置传感器精度高，通常采用的是半导体芯片技术，所采取的工艺是CMOS技术来实现。P型半导体1是良好的导电材料，是芯片制造常用的技术，其电阻值也很低。
在某些具体的实施例中，光电区420在纵向上也阵列排列，阵列电阻50设于光电传感区40的四边。
请参考图2和图3，图2和图3分别对应一维位置传感器和二维位置传感器。图2中是一维传感器，可以精确测量光斑在X方向上的位置，其Y方向上位置的一般不会改变。一维位置传感器通常应用于数控机床或者高精密机械臂领域。
在本实施例中，光电区420在纵向上也阵列排列，阵列电阻50设于光电传感区40的四边可以实现二维位置传感器，可以同时精确测量光斑在X方向和Y方向的坐标位置。
在某些具体的实施例中，相邻的两个电极20中间设一个阵列电阻50。
在本实施例中，相邻的两个电极20中间设一个阵列电阻50可以使整个位置传感器的结构更加紧凑，利于使位置传感器微小化。
在某些具体的实施例中请参考图4，电阻单元510在衬底层10上设有一层N型半导体2，在N型半导体2上间隔设置P型半导体1，相邻的两个P型半导体1之间设有多晶体，多晶体包括依次层叠于N型半导体2上的第一绝缘层90、POLY60和第二绝缘层80，P型半导体1和多晶体之间设有金属70。
在本实施例中，多晶体相当于电阻，本实施例也是为了实现使电阻电源批量化制造，且性能参数尽可能一致的方法。其中，POLY60是半导体本征杂质，通过控制杂质的组成和占比来控制电阻单元510的电阻值。
一般而言，光电传感区40也被覆盖一层第二绝缘层80，用以保护光电传感区40。第一绝缘层90和第二绝缘层80通常是二氧化硅。
实施本实施例中的阵列电阻50能够实现在微观尺度制造满足要求的电阻。
本发明采用CMOS工艺(<μm)的高几何精度工艺，与传统的LEP技术不一样，将小型光电晶体管排列成尺寸精确的矩形阵列，并在矩陈四周排列具有相同电阻率的多晶硅阵列电阻与掺杂电阻进行电流分割。四周四个对角顶点为电流输出电流，这个设计可以保证光斑位置与输出电流线性相关，由于PN结电容小，测量可以高速反应。
且由于光束入射到光电阵列与导电沟道的部分，并且产生的电荷是四周电阻区域中的电阻，增加杂质浓度以降低电阻率，也可以获得所需的电阻。也就是说，由于最小可控杂质浓度与总杂质浓度的比值随杂质浓度的增加而减小，电阻率的变化减小，位置检测精度提高。
在某些具体的实施例中，请参考图4，导电层410包括由P型半导体1构成的导电凹槽，所述导电环包括N型半导体2。
在本实施例中，由于导电层410由P型半导体1构成，导电环30由N型半导体2构成。相当于导电层410与导电环30之间形成PN结，使电流只能单向流动，避免了外界电流的干扰。导电环30的作用是防止电子溢出，将光产生的电子限在芯片内。N型半导体2是优良的导电材料，可以通过CMOS工艺直接在二氧化硅衬底上生成。
在某些具体的实施例中，请参考图4，衬底层10包括二氧化硅。芯片的衬底层10要求是绝缘的，可以是铝酸镧和镧铝氧氮等材料。优选为二氧化硅，因为二氧化硅的应用最广泛，可以实现产品的大批量低价格的制造。
具体的，图4中示出的是本发明中的位置传感器的立体结构图，是通过半导体技术将这些元器件蚀刻在衬底层10上的，和芯片的结构以及制造工艺类似。
在某些具体的实施例中，光电区420是由P型半导体1和N型半导体2构成的PN结。PN结是典型的光敏二极管，可以实现光电效应。既能满足横向光电效应，也能够实现在很小的尺寸范围上批量制造规格一致的光电区420。从而使产品的大规模批量化生产具有可能性。
在某些具体的实施例中，阵列电阻50包括金属膜电阻。金属膜电阻器是膜式电阻器(FilmResistors)中的一种。它是采用高温真空镀膜技术将镍铬或类似的合金紧密附在瓷棒表面形成皮膜，经过切割调试阻值，以达到最终要求的精密阻值，然后加适当接头切割，并在其表面涂上环氧树脂密封保护而成。由于它是引线式电阻，方便手工安装及维修，用在大部分家电、通讯、仪器仪表上。
在某些具体的实施例中，阵列电阻50包括碳电阻。碳电阻器是膜式电阻器(FilmResistors)中的一种。它是采用高温真空镀膜技术将碳紧密附在瓷棒表面形成碳膜，然后加适当接头切割，并在其表面涂上环氧树脂密封保护而成的。其表面常涂以绿色保护漆。碳膜的厚度决定阻值的大小，通常用控制膜的厚度和刻槽来控制电阻器。碳膜电阻亦称“热分解碳膜电阻”。碳氢化合物在真空中高温热分解的碳沉积在基体上的一种薄膜电阻。价格低廉，性能稳定，阻值与功率范围宽。
以上所有实施例中需要说明是，该探测器四个对角信号提取电极20，从该电极20分别提取来自电阻区域四端的输出电流，如果电阻区域位于信号提取电极20之间，遮光膜由绝缘材料制成，并覆盖信号提取电极20之间的电阻区域。当遮光膜由绝缘膜制成时，即使信号电极20之间电阻区域的整个区域被遮光膜覆盖，信号提取电极20也不会短路。
此外，该遮光膜优选由黑色光刻胶制成。因此，可以通过显影和固化形成遮光膜。
尤其需要说明是，本发明附图中X方向对应横向，Y方向对应纵向。
最后需要说明的是，在本发明中，即使光斑的直径足够大，能够覆盖若干个光电区420也不影响对光斑中心位置的确定。因为光斑的强度不变的，光斑移动的过程中只是改变I5、I6、I7、I8的电流大小，其总和基本保持不变。通过I5、I6、I7、I8的数据比值可以很精确的确认光斑的中心位置。
本发明中的光斑通常指的是激光发射器发射出的激光。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (13)
1.一种位置传感器，其特征在于，包括电极、导电环、光电传感区、阵列电阻和绝缘的衬底层；
所述光电传感区设于所述衬底层上方，所述光电传感区包括导电层和呈方形的光电区，所述光电区感光后会产生电流，所述光电区在横向上依次排列，所述导电层设于每个所述光电区的边缘且能够将产生的电流导出到所述阵列电阻；
所述光电传感区呈矩形，所述阵列电阻设置在所述衬底层上，且每个所述光电区在纵向上都能对应所述阵列电阻；
所述电极与所述阵列电阻电性连接；
所述导电环环设于所述衬底层并围绕所述电极和所述光电传感区。
2.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述阵列电阻由多个相同规格的电阻单元依次排列组成，所述电阻单元设于所述光电区与所述衬底层之间，且每个所述电阻单元与所述光电区一一对应。
3.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述阵列电阻对称设于所述光电传感区相对的两边，所述电极对称设于所述阵列电阻的两端附近。
4.如权利要求3所述的位置传感器，其特征在于，所述阵列电阻由多个相同规格的电阻单元依次排列组成。
5.如权利要求3所述的位置传感器，其特征在于，还包括光屏蔽层，所述光屏蔽层覆盖所述阵列电阻。
6.如权利要求3所述的位置传感器，其特征在于，相邻的两个所述电极中间设有一个所述阵列电阻。
7.如权利要求4所述的位置传感器，其特征在于，所述电阻单元在所述衬底层上设有一层N型半导体，在所述N型半导体上间隔设置P型半导体，相邻的两个所述P型半导体之间设有多晶体，所述多晶体包括依次层叠于所述N型半导体上的第一绝缘层、POLY和第二绝缘层，所述P型半导体和所述多晶体之间设有金属。
8.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述导电层包括由P型半导体构成的导电凹槽，所述导电环包括N型半导体。
9.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述光电区在纵向上也阵列排列，每个所述光电区在横向上都能对应所述阵列电阻。
10.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述衬底层包括二氧化硅。
11.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述光电区是由P型半导体和N型半导体构成的PN结。
12.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述阵列电阻包括金属膜电阻。
13.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述阵列电阻包括碳电阻。
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Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN86102770A (zh) * | 1985-05-24 | 1986-11-19 | 菲利浦光灯制造公司 | 位置－灵敏的辐射探测器 |
| US5841127A (en) * | 1996-03-11 | 1998-11-24 | Nissan Motor Co., Ltd. | Position sensor |
| US6335523B1 (en) * | 1998-11-20 | 2002-01-01 | Riken | Semiconductor dark image position sensitive device |
| CN1996607A (zh) * | 2000-04-04 | 2007-07-11 | 浜松光子学株式会社 | 半导体能束探测元件 |
| US20130270666A1 (en) * | 2010-10-29 | 2013-10-17 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode array |
| CN104022130A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-09-03 | 北京师范大学 | 硅光电倍增探测器 |
| CN112086524A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-15 | 北京智创芯源科技有限公司 | 一种红外探测装置及制备方法 |
| CN112216710A (zh) * | 2020-10-12 | 2021-01-12 | 北京智创芯源科技有限公司 | 红外焦平面探测器芯片及其制备方法 |
| CN212907740U (zh) * | 2020-06-30 | 2021-04-06 | 北京师范大学 | 位置灵敏硅光电倍增探测器 |
| CN113871405A (zh) * | 2020-06-30 | 2021-12-31 | 北京师范大学 | 位置灵敏硅光电倍增探测器 |
| US20220310866A1 (en) * | 2021-03-23 | 2022-09-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light detector |
| CN115274895A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-11-01 | 北京师范大学 | 硅光电倍增探测器 |
| CN219163413U (zh) * | 2023-02-01 | 2023-06-09 | 浙江芯科半导体有限公司 | 一种光电位置传感器 |
-
2023
- 2023-07-12 CN CN202310854137.2A patent/CN116817752A/zh active Pending
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN86102770A (zh) * | 1985-05-24 | 1986-11-19 | 菲利浦光灯制造公司 | 位置－灵敏的辐射探测器 |
| US5841127A (en) * | 1996-03-11 | 1998-11-24 | Nissan Motor Co., Ltd. | Position sensor |
| US6335523B1 (en) * | 1998-11-20 | 2002-01-01 | Riken | Semiconductor dark image position sensitive device |
| CN1996607A (zh) * | 2000-04-04 | 2007-07-11 | 浜松光子学株式会社 | 半导体能束探测元件 |
| US20130270666A1 (en) * | 2010-10-29 | 2013-10-17 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode array |
| CN104022130A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-09-03 | 北京师范大学 | 硅光电倍增探测器 |
| CN113871405A (zh) * | 2020-06-30 | 2021-12-31 | 北京师范大学 | 位置灵敏硅光电倍增探测器 |
| CN212907740U (zh) * | 2020-06-30 | 2021-04-06 | 北京师范大学 | 位置灵敏硅光电倍增探测器 |
| CN112086524A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-15 | 北京智创芯源科技有限公司 | 一种红外探测装置及制备方法 |
| CN112216710A (zh) * | 2020-10-12 | 2021-01-12 | 北京智创芯源科技有限公司 | 红外焦平面探测器芯片及其制备方法 |
| US20220310866A1 (en) * | 2021-03-23 | 2022-09-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light detector |
| CN115274895A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-11-01 | 北京师范大学 | 硅光电倍增探测器 |
| CN219163413U (zh) * | 2023-02-01 | 2023-06-09 | 浙江芯科半导体有限公司 | 一种光电位置传感器 |
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