Optiline positsiooniandur

Optiline positsiooniandur (OPA) ehk teisisõnu positsioonitundlik diood on fotodioodi tööpõhimõttel baseeruv optoelektrooniline seade, mis suudab kindlaks määrata seadmele langenud valguskiire positsiooni seadme suhtes.

Tööpõhimõte

OPA tööpõhimõte langeb kokku vastupingestatud fotodioodi tööpõhimõttega. OPA pn-siire on vastupingestatud, mistõttu potentsiaalibarjäär/tõkkekiht laieneb veelgi, suurendades seadme reageerimiskiirust. Ideaalis vool siiret ei läbi ja seade käitub vooluringis lahtise kontaktina. Kui barjäärialas paiknevale elektronile langeb piisava energiaga footon, siis elektron ergastatakse, põhjustades elektron-auk paari tekkimise. Barjääri elektriväli paneb elektroni liikuma siirde n-suunas ja augu p-suunas ning see omakorda viib fotovoolu tekkeni.

Tööpõhimõtte poolest võib eristada kahte tüüpi OPAsid. Esimene neist on pidev OPA, mille valgust tajuv tööpind tagab pideva info positsiooni kohta. Teist tüüpi OPAde tööpind koosneb diskreetsetest ehk üksikutest sensoritest.

Pidevad OPAd

PIN fotodioodi struktuur

Pidev OPA on üldjuhul sama ehitusega nagu PIN fotodiood^[1], mille p-tüüpi pooljuhile on kantud õhuke elektrilise takistusega, valgust läbilaskev kiht. Takistava pindkihi otstesse on paigutatud väljundelektroodid. Kui footonid läbivad takistava kihi, põrkuvad need potentsiaalibarjääri laiendavas praktiliselt lisandivabas (võrreldes teist tüüpi pooljuhtidega) i-tüüpi pooljuhtkihis olevate elektronidega, luues elektroni ja augu paare. Barjääri elektriväli lükkab laengukandjad vastaskihtidesse ja enne elektroodideni jõudmist peavad laengukandjad läbima takistava pindkihi. Olenevalt valguskiire positsioonist anduril toimub fotovoolu jagunemine analoogselt pingejagurile. Mida lähemal on valguse positsioon elektroodile, seda vähem takistavat kihti peavad laengukandjad elektroodile jõudmiseks läbima ning seega vastavalt jaguneb elektroodide vahel ka vool. Järgnevalt teisendatakse elektroodidelt saadud vool võimenduselektroonika abil pingeks ning pingete omavahelise võrdluse alusel saab määrata valguskiire positsiooni anduril.^[2][3]

Kahemõõtmelise OPA disain, mis kasutab PIN fotodioodi

Tuleks tähele panna, et kuigi eelnevas kirjelduses sai mainitud, et väljundpingete võrdlemise alusel määratakse positsiooni anduril, siis järgnevates valemites kasutatakse väljundvoolusid. Põhimõtteliselt on tulemus sama, aga praktikas on pinged lihtsamalt mõõdetavad suurused kui voolud, samas kui valemites kasutada voolusid, on tulemus absoluutselt õige. See tähendab seda, et kui voolu teisendamisel kasutatakse võimenduselektroonikat, siis maksimaalne pinge ei pruugi vastata maksimaalsele voolule, kuna kõik oleneb sellest, mis võimendusskeemi on kasutatud, kas võimendi on küllastatud või mitte, ehk kas võimendatud signaal tahab kasvada suuremaks kui maksimaalne võimendi väljundväärtus.

Kui OPA väljundvoolud ${\displaystyle I_{a}}$, ${\displaystyle I_{b}}$, ${\displaystyle I_{c}}$ ja ${\displaystyle I_{d}}$ on teada, siis saab kaheteljelisel pidevat tüüpi OPAl paikneva valguskiire positsiooni arvutada järgmiselt:

${\displaystyle x=k_{x}\cdot {\frac {I_{b}-I_{d}}{I_{b}+I_{d}}}}$

ja

${\displaystyle y=k_{y}\cdot {\frac {I_{a}-I_{c}}{I_{a}+I_{c}}}}$,

kus olenevalt nullpunkti valikust iseloomustavad konstandid ${\displaystyle k_{x}}$ ja ${\displaystyle k_{y}}$ OPA tööpinna mõõtmeid. Näiteks kui nullpunkt on valitud täpselt keskele, siis ${\displaystyle k_{x}}$ ja ${\displaystyle k_{y}}$ on võrdsed vastava sihi poollaiusega, milles võib veenduda, simuleerides anduri ühe või teise ääre tabamist valguse poolt. Vastavalt tööpõhimõttele peab üks väljund olema maksimaalne ja teine minimaalne ehk ideaalselt null.

Kuna fotovool sõltub suuresti pealelangeva valguse intensiivsusest, siis saab seda väljundis mõõta.

Pidevat tüüpi OPA positiivsed omadused;

• Informatsioon valguskiire positsiooni kohta anduril on pidev.
• Anduri võimendusskeemid on suhteliselt lihtsad.
• Põhimõtteline sõltumatus pealelangeva valguskimbu laiusest.
• Tänu laiale potentsiaalibarjäärile on pn-siirde mahtuvus vähendatud, mis lühendab laengul siirde läbimiseks kuluvat aega. Teisisõnu ajakonstant ${\displaystyle RC}$ väheneb, kus ${\displaystyle R}$ on siirde takistus ja ${\displaystyle C}$ on siirde mahtuvus.

Puudusena võivad elektroodid mõjutada seadme lineaarsust ehk teisisõnu väljundvoolude järgi arvutatud positsioon ei pruugi kattuda reaalse positsiooniga. Potentsiaalibarjääri suurenemise korral suureneb küll üldine tundlikkus, ent sellega kaasneb suurem müratundlikkus.

Pidevaid OPAsid saab kasutada häirituse ja vibratsiooni mõõtmistel, läätse peegelduse ja valguse murdumise mõõtmisel, laseri positsiooni kalibreerimisel, optiliste lülititena jne.

Diskreetsed OPAd

Diskreetsete OPAde tööpind koosneb mitmest üksikust sensorist, mida võib kutsuda piksliteks. Olenevalt pikslite koguarvust võib eristada maatriks- ja segmenteeritud OPAsid.

Maatriks-OPAd

Maatriks-tüüpi andureid kasutatakse kõige enam CCD- ja CMOS-kaameratena^[4]. Anduri olekuteabe saab süsteemist järjestikuselt välja lugeda ja valguse intensiivsuse jaotuse järgi saab määrata valguskiire asukoha anduril. Täpsemalt kujutab järjestikulisus siin asjaolu, et pikslitemaatriksist loetakse andurist infot välja ühe rea haaval.

Kiiremate rakenduste tarbeks on välja arendatud paralleelse infotöötlusega OPAd. Nii rida-realt kui veergepidi võrreldakse iga piksli valgustatust globaalse intensiivsuslävega. Võrdluste tulemusena leitakse rida ja veerg, kus paikneb kõige eredam piksel, ning selle asukoht on pealelangenud valguskiire koordinaatide keskväärtuseks.

Segmenteeritud OPAd

Segmenteeritud OPAd koosnevad kahest või neljast pikslist, mille vahel on täpselt määratud vahed. Kui pealelangeva valguskiire läbimõõt on suurem kui pikslite vaheline kaugus, siis anduri keskpunktis paikneva valguskiire korral on iga segmendi väljundvool sama väärtusega. Segmenteeritud OPAsid kasutatakse enamasti rakendustes, kus on vaja midagi suure täpsusega tsentreerida. Samas on suure täpsuse saavutamise eelduseks see, et valguskiir ei oleks liiga väike ning oleks sümmeetriline, sest sellest sõltub väljundi lineaarsus.

OPAsid iseloomustavad parameetrid

Tundlikkusspekter

Tundlikkusspekter

Kindla võimsusega valgusallika põhjustatud fotovoolu sõltuvust valguse lainepikkusest nimetatakse tundlikkusspektriks. Enamiku OPAde kõige tundlikum piirkond on 900 nanomeetri piirkonnas.

Küllastusvool

Küllastusvool on fotovoolu maksimaalne väärtus. Kui see on saavutatud, siis pealelangeva valguse intensiivsuse suurenedes fotovool enam ei suurene. Küllastumise tekitab olukord, mil pikslis või seadmes saavad ergastamata laengukandjad otsa. Küllastusvool sõltub vastupingest ja pidevat tüüpi OPAdes ka elektroodide vahelise takistuskihi väärtusest. Teoreetiliselt ei tohiks küllastusvool seadme positsioonitundlikkust muuta, kuid suurte küllastusvoolude korral võib takistuskihis tekkida märkimisväärne lokaalne pingelang, mis on kasulikule vastupingele vastupidise suunaga^[5]. Vastupinge vähenedes muutub andur ebalineaarseks ja seega ebausaldusväärseks. Footonitega põrkamise tulemusena tekkinud laengukandjaid ei viida vastupinge puudumise korral pn-siirdest ära, põhjustades laengukandjate kuhjumise pn-siirdes. See muudab takistuslihi mittehomogeenseks. Küllastuseni jõudmise vältimiseks on mitu võimalust:

• Kasutada sensori ees optilist filtrit.
• Suurendada vastupinget.
• Vältida valguse koondamist väikesele pinnale.

Pimevool

Isegi vastupingestatuse ja valguse puudumise korral läbib OPAt väike vool, mida nimetatakse pimevooluks. Pimevool eksisteerib ka signaali puudumise korral ja seda võib pidada müraallikaks. Pimevool üldiselt suureneb vastupinge suurendades ja mingist punktist alates suureneb pimevool hüppeliselt. Samuti suurendab pimevoolu temperatuuri tõus. Pimevoolu tekkepõhjuseid on mitu, kuid selle põhiliseks allikaks on juhuslike elektronide ja aukude paaride teke potentsiaalibarjääris.

Maksimaalne vastupinge väärtus

Kui vastupinge on suurenenud piirväärtuseni, siis toimub OPAs laviin-läbilöök. Selle tulemusena lakkab andur tõenäoliselt töötamast. Piirväärtust ei tohi hetkekski ületada, kuna pooljuht moondub selles olukorras kergesti.

Reaktsiooniaeg

Reaktsiooniaeg on defineeritud kui aeg, mil anduri väljund tõuseb 10%-lt 90%-ni väljundpingest juhul, kui valgus hetkeliselt sisse lülitatakse. Reaktsiooniaeg sõltub pealelangeva valguse lainepikkusest, anduri võimenduselektroonika koormustakistusest ja vastupingest.

Kvantsaagis

Väljundis kindlaksmääratavate elektronide või aukude ja seadmele pealelangevate footonite arvu suhet nimetatakse kvantsaagiseks ning seda väljendatakse tavaliselt protsentides.

Viited

1. Streetman, Banerjee: Solid State Electronic Devices, Department of Electrical and Computer engineering, University of Texas at Austin, 2006, ISBN 0-13-149726-X
2. On-Track OPA tööpõhimõte. Link töötas: 03.10.2012
3. Position Sensing With Photodiodes, 03.10.2012 OPA tööpõhimõte. Link töötas: 03.10.2012
4. howstuffworks CCD ja CMOS andurite tööpõhimõtted. Link töötas: 06.10.2012
5. On-Track, 03.10.2012Küllastusalas opereerimine. Link töötas: 03.10.2012

Kirjandus

• Talley, Daugherty: Physical Principles of Semiconductor Devices, Iowa State University, 1976