[發明專利]一種三層結構的半導體光電角度傳感器

無效

• 申請號: 200710001090.6
• 申請日: 2007-01-24
• 公開（公告）號: CN101232056A
• 公開（公告）日: 2008-07-30
• 發明（設計）人: 馮偉;李昂
• 申請（專利權）人: 馮偉;李昂
• 主分類號: H01L31/103
• 分類號: H01L31/103;G01D5/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種三層結構的半導體光電角度傳感器，屬于半導體技術領域。

背景技術

本發明主要應用于需要轉動角度精密測定和精確定位的伺服系統。是激光技術領域光偏轉部件的核心技術。目前常用的測量方式為電容式傳感器和二層結構的光電式傳感器。電容式傳感器存在以下缺點：1、電路復雜，由分立元件搭接，沒有集成方案選擇，電路中主要包括電容器，電阻器，電感線圈和晶體管。2、穩定性差，分立元件搭接的電路不穩定，溫度環境、大氣濕度對于測量精度影響很大，一般只能保證1/000的測量精度，易出故障。3、調試困難，電容器極板與介質物之間的間隙要求非常精確，制造工藝難度高一致性無法保證。光電式角度傳感器的廣泛應用大幅提高了角度精確測量定位的性能指標。但是常見的光電傳感器均為兩層器件，結構簡單，原理直觀，由于材料以及制造工藝的局限，其動態性能不佳，未能充分發揮光電式傳感器件的優良特性。

發明內容

本發明不同于現有光電式傳感器的特點在于，使用了三層結構的半導體器件，大幅提高和擴展傳感器的動態性能，原理如下：

根據半導體光生伏打原理，在單晶硅片經氧化、掩模、蝕刻、擴散制備所需形狀之PN結，見圖1。硅片背面為陽極，正面為陰極，當光源照射PN結時，產生光生電壓電流。

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公式1

其中：Vco開路電壓，A曲線因子，K波爾茲曼常數，T絕對溫度，q電荷值，JI光電流，Jo反向飽和電流。由公式一可以導出，Vco在光源照度相對恒定時，僅隨受光面積變化而變化。

在上述制備的PN結之上附著第三層物質有兩種方法：

1、在器件受光面增鍍一層增透、防反、濾光電阻膜，根據需要該膜尺寸、材料、厚度、電特性均可改變。如圖1。

2、對上述制備的PN結進行二次擴散，根據需要產生一個電阻層，該電阻層的擴散濃度、厚度、電特性均可改變。如圖2。進行二次擴散之后的器件引出電極為兩個，A和B。

實施方法

1、光電傳感器形狀及安裝方法如圖3，兩片扇形傳感器A、B圍繞一個圓心，光源由正上方射入，蝶形遮光片固定在轉動軸上介于光源和傳感器之間，A、B傳感器分別檢測各自受光面積之下的光生電壓，轉動蝶形遮光片改變了A、B傳感器的受光面積，A、B光生電壓隨之發生變化。此兩路電壓信號經差分放大，即可求出轉動軸的變化角度。

2、光電傳感器形狀及安裝方法如圖4，四片扇形傳感器A、B、C、B圍繞一個圓心，光源由正上方射入，蝶形遮光片固定在轉動軸上介于光源和傳感器之間，A、B、C、D傳感器呈橋式串聯連接分別檢測各自受光面積之下的光生電壓，轉動蝶形遮光片改變了A、B、C、D傳感器的受光面積，A、B、C、D光生電壓隨之發生變化。由于AC、BD串聯，得出兩路電壓信號ac、bd，此兩路電壓信號經差分放大，即可求出轉動軸的變化角度。

3、光電傳感器形狀及安裝方法如圖5，一片扇形傳感器A、B兩路輸出，當光源從正上方射入時，產生的光伏電壓將通過二次擴散形成的電阻分別到達A、B端，隨著遮光片角度變化，產生光伏電壓的區域將發生變化，相當于改變了A、B輸出之間的分壓電阻，將A、B兩路信號差分放大，即可求出轉動軸的變化角度。

4、光電傳感器形狀及安裝方法如圖6，兩片扇形傳感器A、B、C、D四路輸出，當光源從正上方射入時，產生的光伏電壓將通過二次擴散形成的電阻分別到達A、B，C、D端，隨著遮光片角度變化，產生光伏電壓的區域將發生變化，相當于改變了A、B和C、D輸出之間的分壓電阻，將AD、BC四路信號分別求和再差分放大，即可求出轉動軸的變化角度。

附圖說明

圖1是三層結構的半導體光電角度傳感器結構示意圖，圖中R---電阻層，K---陰極，A---陽極。

圖2是三層結構的半導體光電角度傳感器結構示意圖的雙輸出端方式，圖中R---電阻層，K---陰極，A---陽極。

圖3是三層結構的半導體光電角度傳感器的基本實施方法，圖中1---光源??2---遮光片??3---扇形傳感器??4---轉動軸??A---檢測信號輸出??B---檢測信號輸出。