Un dispositivo sensible a la posición y/o detector sensible a la posición (PSD) es un sensor de posición óptico (OPS) que puede medir la posición de un punto de luz en una o dos dimensiones en una superficie del sensor.
Los PSD se pueden dividir en dos clases que funcionan según principios diferentes: en la primera clase, los sensores tienen una superficie de sensor isotrópica que proporciona datos de posición continuos. La segunda clase tiene sensores discretos en una estructura similar a una trama en la superficie del sensor que proporcionan datos discretos locales.
El término técnico PSD fue utilizado por primera vez en una publicación de 1957 por JT Wallmark para referirse al efecto fotoeléctrico lateral utilizado para mediciones locales. En un semiconductor laminar, un diodo llamado PIN se expone a un pequeño punto de luz. Esta exposición provoca un cambio en la resistencia local y, por lo tanto, en el flujo de electrones en cuatro electrodos. A partir de las corrientes , , y en los electrodos, se calcula la ubicación del punto de luz utilizando las siguientes ecuaciones.
y
y son factores de escala simples , que permiten la transformación en coordenadas.
Una ventaja de este procedimiento es la medición continua de la posición del punto de luz con frecuencias de medición de hasta más de 100 kHz. La dependencia de la medición local de la forma y el tamaño del punto de luz, así como la conexión no lineal, son una desventaja que se puede compensar en parte mediante formas especiales de electrodos.
Un PSD tetralateral 2-D es capaz de proporcionar una medición continua de la posición del punto de luz incidente en 2-D. Consiste en un único diodo PIN cuadrado con una capa resistiva. Cuando hay una luz incidente en el área activa del sensor, se generan fotocorrientes y se recogen de cuatro electrodos colocados a lo largo de cada lado del cuadrado cerca del límite. La posición de la luz incidente se puede estimar en función de las corrientes recogidas de los electrodos:
y
El PSD tetralateral 2-D tiene las ventajas de una respuesta rápida, una corriente oscura mucho menor, una fácil aplicación de polarización y un menor costo de fabricación. Su precisión y resolución de medición son independientes de la forma y el tamaño del punto, a diferencia del detector de cuadrante que podría cambiar fácilmente por la turbulencia del aire. Sin embargo, sufre el problema de la no linealidad. Si bien la estimación de la posición es aproximadamente lineal con respecto a la posición real cuando el punto está en el área central del PSD, la relación se vuelve no lineal cuando el punto de luz está alejado del centro. Esto limita seriamente sus aplicaciones y existen demandas urgentes de mejora de la linealidad en muchas aplicaciones.
Para reducir la no linealidad de la PSD 2-D, se ha propuesto un nuevo conjunto de fórmulas para estimar la posición de la luz incidente (Song Cui, Yeng Chai Soh: Índices de linealidad y mejora de la linealidad del detector sensible a la posición tetralateral 2-D. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 57, n.º 9, págs. 2310-2316, 2010):
y
donde : , y : son nuevos factores de escala.
Los resultados de estimación de posición obtenidos con este conjunto de fórmulas se simulan a continuación. Suponemos que el punto de luz se mueve en pasos en ambas direcciones y trazamos las estimaciones de posición en un plano bidimensional. Por lo tanto, se debería obtener un patrón de cuadrícula regular si la posición estimada es perfectamente lineal con la posición real. El rendimiento es mucho mejor que con las fórmulas anteriores. Se pueden encontrar simulaciones detalladas y resultados de experimentos en el artículo de S. Cui.
Las aplicaciones más habituales de los sensores con una frecuencia de muestreo inferior a 1000 Hz son las cámaras CCD o CMOS . El sensor está dividido en píxeles individuales cuyo valor de exposición se puede leer secuencialmente. La posición del punto de luz se puede calcular con métodos de fotogrametría directamente a partir de la distribución de luminosidad.
Para aplicaciones más rápidas, se desarrollaron sensores matriciales con procesamiento paralelo. Tanto línea por línea como en columnas, se compara la densidad de luz de cada píxel con un valor umbral global. Los resultados de la comparación se convierten en líneas y columnas con enlaces OR lógicos. De todas las columnas y todas las líneas, el elemento que es más brillante que un valor umbral dado es el valor promedio de las coordenadas calculadas del punto de luz.
Se han utilizado varias estructuras semiconductoras, incluidas las uniones pn , las barreras Schottky y las estructuras de semiconductores de óxido metálico en detectores sensibles a la posición. Las estructuras híbridas más recientes basadas en la heterojunción PEDOT:PSS/n-Si exhiben una sensibilidad ultraalta y una linealidad excelente. [1] Estas configuraciones híbridas también se benefician de un proceso de fabricación sencillo a baja temperatura que elimina el proceso costoso y de alta temperatura de fabricación de sensores pn convencionales. [1]
