專利名稱：一種用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器結(jié)構(gòu)，具體來說，涉及一種用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置的傳感器。
背景技術(shù)：
光點(diǎn)位置傳感器在光學(xué)位置和角度的測(cè)量與控制、遠(yuǎn)程光學(xué)控制系統(tǒng)、位移和振動(dòng)監(jiān)測(cè)、激光光束校準(zhǔn)、自動(dòng)范圍探測(cè)系統(tǒng)以及人體運(yùn)動(dòng)及分析系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的光點(diǎn)位置檢測(cè)傳感器是制作在娃材料上的，由大面積PIN光電二極管構(gòu)成，它與分立單元探測(cè)器陣列相比，具有位置分辨率高、響應(yīng)電流簡(jiǎn)單、快速等優(yōu)點(diǎn)。近年也有SOI襯底硅上制造PIN型光點(diǎn)位置檢測(cè)傳感器的報(bào)道。采用PIN結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)位置檢測(cè)雖然有檢測(cè)靈敏度高等前述優(yōu)點(diǎn)，但由于涉及到使用近本征的I層材料層，使制造成本大大增加。因 此如何改進(jìn)現(xiàn)有光點(diǎn)位置傳感器結(jié)構(gòu)，降低制造成本為目前光點(diǎn)位置傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置的傳感器，該結(jié)構(gòu)的傳感器可以用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置，并且制造成本低廉、測(cè)量靈敏度高。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置的傳感器，該傳感器包括半導(dǎo)體層、絕緣薄膜層、金屬導(dǎo)電薄膜層、光敏電阻薄膜層、電阻薄膜層和四個(gè)大小相同的引出電極，半導(dǎo)體層位于最下方，絕緣薄膜層、金屬導(dǎo)電薄膜層、光敏電阻薄膜層和電阻薄膜層從下向上依次貼合布設(shè)在半導(dǎo)體層的頂面，并且光敏電阻薄膜層的頂面面積和電阻薄膜層的頂面面積分別小于金屬導(dǎo)電薄膜層的頂面面積，引出電極連接在電阻薄膜層的頂面，引出電極之間有間隙，且四個(gè)引出電極位于正方形的四條邊上，且相對(duì)的兩個(gè)引出電極圍繞正方形的中心點(diǎn)相互對(duì)稱。進(jìn)一步，所述的電阻薄膜層由透明弓丨出電極材料制成。進(jìn)一步，所述的光敏電阻薄膜層由硫化鎘制成。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果I.制造成本低廉?，F(xiàn)有技術(shù)中的光點(diǎn)位置檢測(cè)傳感器采用PIN型結(jié)構(gòu)，制造成本高。而本發(fā)明的傳感器包括半導(dǎo)體層、絕緣薄膜層、金屬導(dǎo)電薄膜層、光敏電阻薄膜層、電阻薄膜層和引出電極六個(gè)部件，在普通半導(dǎo)體硅材料上采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝加工，可以完成本傳感器的制作，由于薄膜材料價(jià)格低廉，且可采用濺射方法實(shí)現(xiàn)薄膜，因此材料價(jià)格和加工成本都比較低。該器件可采用普通硅片進(jìn)行制造，因此顯著降低了器件制造成本。2.測(cè)量簡(jiǎn)單，且靈敏度高?，F(xiàn)有的光點(diǎn)位置檢測(cè)傳感器的工作原理是，在近本征的高阻材料上制造PN結(jié)并使其工作在反偏狀態(tài)，當(dāng)光照時(shí)將在擴(kuò)展到本征材料一側(cè)的反偏耗盡區(qū)中產(chǎn)生光生載流子，該光生載流子構(gòu)成的電流在表面低阻擴(kuò)散層中進(jìn)行再分配，通過測(cè)量這些再分配得電流就可計(jì)算光照位置。本發(fā)明的傳感器是基于光敏電阻受光照急劇變化的原理實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)位置的檢測(cè)，當(dāng)沒有光照時(shí)，電阻薄膜層和金屬導(dǎo)電薄膜層被電阻很大的光敏電阻薄膜層分隔。工作時(shí)，引出電極和金屬導(dǎo)電層之間施加電壓，利用光照會(huì)使照射點(diǎn)下局部短路產(chǎn)生可觀的漏電流。該電流在電阻薄膜層中橫向流動(dòng)并根據(jù)正面四個(gè)引出電極位置分配電流大小。通過測(cè)量這四個(gè)引出電極上的電流大小就可獲得光點(diǎn)位置信息。因此，本發(fā)明的傳感器的測(cè)量簡(jiǎn)單。同時(shí)本發(fā)明的傳感器檢測(cè)范圍大，且無死區(qū)，測(cè)量靈敏度高。光照點(diǎn)沒有光照區(qū)域的限制，只要照在電阻薄膜層上即可，檢測(cè)范圍大，且無死區(qū)。3.輸出電流可控，有利于提高測(cè)量靈敏度。在本發(fā)明中，電阻薄膜層的電阻是固定的，通過控制相對(duì)的兩個(gè)電極上的加載電壓，即可控制輸出電流的大小。輸出電流大時(shí)，測(cè)量的電流也較大，不容易受周圍環(huán)境噪聲的影響，有利于提高測(cè)量靈敏度。4.加工工藝簡(jiǎn)單。本發(fā)明的傳感器制備時(shí)，首先選取半導(dǎo)體材料，然后通過氧化在半導(dǎo)體層的上表面生長(zhǎng)一層絕緣薄膜層，再通過濺射或蒸發(fā)原理依次在表面沉積金屬導(dǎo)電薄膜層、光敏電阻薄膜層、電阻薄膜層和金屬鋁，接下來通過光刻及腐蝕形成引出電極，最后在通過光刻、腐蝕電阻薄膜層和光敏電阻薄膜層露出金屬導(dǎo)電薄膜層。整個(gè)工藝都是薄膜工藝。相對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器的制備，本發(fā)明的傳感器加工工藝簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求低。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有半導(dǎo)體層I、絕緣薄膜層2、金屬導(dǎo)電薄膜層3、光敏電阻薄膜層4、電阻薄膜層5、引出電極6。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。如圖I所示，本發(fā)明的一種用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置的傳感器，包括半導(dǎo)體層I、絕緣薄膜層2、金屬導(dǎo)電薄膜層3、光敏電阻薄膜層4、電阻薄膜層5和四個(gè)引出電極6。半導(dǎo)體層I可以采用硅材料制成。半導(dǎo)體層I位于最下方，絕緣薄膜層2、金屬導(dǎo)電薄膜層3、光敏電阻薄膜層4和電阻薄膜層5從下向上依次貼合布設(shè)在半導(dǎo)體層I的頂面，并且光敏電阻薄膜層4的頂面面積和電阻薄膜層5的頂面面積分別小于金屬導(dǎo)電薄膜層3的頂面面積，引出電極6連接在電阻薄膜層5的頂面，引出電極6之間有間隙，且四個(gè)引出電極6位于正方形的四條邊上，且相對(duì)的兩個(gè)引出電極6圍繞正方形的中心點(diǎn)相互對(duì)稱。該傳感器包括金屬導(dǎo)電薄膜層3、光敏電阻薄膜層4和電阻薄膜層5。當(dāng)沒有光照時(shí)，電阻薄膜層5和金屬導(dǎo)電薄膜層3被電阻很大的光敏電阻薄膜層4分隔。工作時(shí)，光照在該傳感器表面時(shí)，并且弓I出電極6和金屬導(dǎo)電層3之間施加電壓，利用光照會(huì)使照射點(diǎn)下局部短路產(chǎn)生可觀的漏電流。該電流在電阻薄膜層5中橫向流動(dòng)并根據(jù)正面四個(gè)引出電極6位置分配電流大小。通過測(cè)量這四個(gè)引出電極6上的電流大小就可獲得光點(diǎn)位置信息。該器件可采用普通硅片進(jìn)行制造，因此顯著降低了器件制造成本。上述結(jié)構(gòu)的傳感器的工作原理是光敏電阻薄膜層4在沒有光照射時(shí)電阻很大，近似為絕緣材料。當(dāng)光斑照射在傳感器上表面某點(diǎn)時(shí)，將透過電阻薄膜層5，被光敏電阻薄膜層4吸收，則與該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光敏電阻薄膜層4上的電阻急劇下降，使該點(diǎn)位置的電阻薄膜層5和下方的金屬導(dǎo)電薄膜層3近似短路。如果在四個(gè)引出電極6和金屬導(dǎo)電薄膜層3之間加一電壓，則光照處將有電流流過。該電流在電阻薄膜層5開始橫向流動(dòng)，且由于有四個(gè)引出電極6，引出電極6離光照距離不同，從而造成電流在電阻薄膜層5再分配，通過電流的比例分配可計(jì)算出光點(diǎn)在表面的二維位置。具體來說，通過測(cè)量四個(gè)引出電極6上的四個(gè)電流大小，以及建立傳感器正中心位置為原點(diǎn)，且橫向?yàn)閄方向，縱向?yàn)閥方向的坐標(biāo)系，利用以下公式確定光點(diǎn)位置在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x，y)
L I. -In
_9] ^ = YTTT
‘ 1L ^ 1R
L Ir — Iny=Yl^TB 式中，L為相對(duì)的兩個(gè)引出電極6之間的距離，單位米山為位于左側(cè)的引出電極上流過的電流，單位安培；IK為位于右側(cè)的引出電極上流過的電流，單位安培；IT為位于前側(cè)的引出電極上流過的電流，單位安培；IB為位于后側(cè)的引出電極上流過的電流，單位安培。該結(jié)構(gòu)的傳感器的制作過程為首先選取半導(dǎo)體材料，如硅片，制成半導(dǎo)體層1，然后通過氧化在半導(dǎo)體層I的上表面生長(zhǎng)一層絕緣薄膜層2，再通過濺射或蒸發(fā)原理依次在表面沉積金屬導(dǎo)電薄膜層3 (比如金屬鋁)、光敏電阻薄膜層4 (比如CdS)、電阻薄膜層5(比如IT0)和金屬鋁，接下來通過光刻及腐蝕形成引出電極6，最后在通過光刻、腐蝕電阻薄膜層5和光敏電阻薄膜層4露出金屬導(dǎo)電薄膜層3。整個(gè)工藝都是薄膜工藝，因此不僅可以在硅圓片上作，甚至可以在陶瓷，玻璃等其他基材上完成上述傳感器的制作。進(jìn)一步，所述的電阻薄膜層5由透明引出電極材料制成，例如氧化銦錫(IT0)。采用ITO的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電且透明，由于是金屬氧化物，因此電阻比純金屬更大，更適合作為電阻。進(jìn)一步，所述的光敏電阻薄膜層4由硫化鎘制成。當(dāng)然光敏電阻薄膜層4還可以是其他光敏材料制成，例如硫化招、硫化鉛或者硫化秘。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置的傳感器，其特征在于，該傳感器包括半導(dǎo)體層(I)、絕緣薄膜層(2)、金屬導(dǎo)電薄膜層(3)、光敏電阻薄膜層(4)、電阻薄膜層(5)和四個(gè)大小相同的引出電極(6)，半導(dǎo)體層(I)位于最下方，絕緣薄膜層(2)、金屬導(dǎo)電薄膜層(3)、光敏電阻薄膜層(4)和電阻薄膜層(5)從下向上依次貼合布設(shè)在半導(dǎo)體層(I)的頂面，并且光敏電阻薄膜層(4)的頂面面積和電阻薄膜層(5)的頂面面積分別小于金屬導(dǎo)電薄膜層(3)的頂面面積，引出電極(6)連接在電阻薄膜層(5)的頂面，引出電極(6)之間有間隙，且四個(gè)引出電極(6)位于正方形的四條邊上，且相對(duì)的兩個(gè)引出電極(6)圍繞正方形的中心點(diǎn)相互對(duì)稱。
2.按照權(quán)利要求I所述的用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置的傳感器，其特征在于，所述的電阻薄膜層(5)由透明引出電極材料制成。
3.按照權(quán)利要求I所述的用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置的傳感器，其特征在于，所述的光敏電阻薄膜層(4)由硫化鎘制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置的傳感器，該傳感器包括半導(dǎo)體層、絕緣薄膜層、金屬導(dǎo)電薄膜層、光敏電阻薄膜層、電阻薄膜層和四個(gè)大小相同的引出電極，半導(dǎo)體層位于最下方，絕緣薄膜層、金屬導(dǎo)電薄膜層、光敏電阻薄膜層和電阻薄膜層從下向上依次貼合布設(shè)在半導(dǎo)體層的頂面，并且光敏電阻薄膜層的頂面面積和電阻薄膜層的頂面面積分別小于金屬導(dǎo)電薄膜層的頂面面積，引出電極連接在電阻薄膜層的頂面，引出電極之間有間隙，且四個(gè)引出電極位于正方形的四條邊上，且相對(duì)的兩個(gè)引出電極圍繞正方形的中心點(diǎn)相互對(duì)稱。該結(jié)構(gòu)的傳感器可以用于檢測(cè)二維光點(diǎn)位置，并且制造成本低廉、測(cè)量靈敏度高。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102759327SQ20121022706
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月30日
發(fā)明者單園園, 張睿, 秦明, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)