[发明专利]具有超快响应速度的光电位置传感材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及基于侧向光伏效应的位置传感材料及其制备方法。

背景技术

Schokky在1930年发现了侧向光伏(lateral photovoltage,LPV)现象，1957年Wallmark在p⁺-n结中首次发现了侧向光伏大小与光照位置间的线性依赖关系并作出了物理解释。侧向光伏效应不仅与光照位置具有非常好的线性关系，而且具有很高的位置灵敏度，这就使得侧向光伏效应可应用于多种灵敏光学传感器，尤其是位置灵敏器(position-sensitive detectors,PSD)中最核心的部分。

位置灵敏器具有位置分辨率高、响应速度快，光谱响应范围宽、处理电路简单等优点，被广泛应用于工业、军事、科研等许多领域，尤其是在空间光束的捕获、跟踪、对准及定位等方面具有重要的作用。尽管国际上对位置灵敏器的研究与开发已经进入了一个比较成熟的时期，但是其响应速度不够快的缺点始终没有被克服。目前响应速度最快的位置灵敏器是德国Silicon Sensor GmbH公司开发的OD6-7型一维位置灵敏器，其响应时间为0.2μs，仍然不能满足许多需要快速响应的特殊需求，特别是高速运行物体的对接工作。

发明内容

本发明是为了解决现有光电位置传感材料的位置灵敏度较低以及响应速度慢的问题，而提供具有超快响应速度的光电位置传感材料及其制备方法。

本发明具有超快响应速度的光电位置传感材料具有金属氧化物—SiO₂—Si三层结构，在Si基片上采用激光脉冲沉积有厚度为10～80nm的金属氧化物层，其中的金属氧化物为Fe₃O₄、ZnO或TiO₂，SiO₂层是Si基片在空气中自然形成的。

本发明具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法按下列步骤实现：

一、将Si基片放入HF溶液里浸泡10～20min，然后利用超声波清洗器将Si片依次放入丙酮和无水乙醇中分别清洗10～20min，得到清洗后的Si基片；

二、将金属氧化物粉末研磨后压制成片，然后在800～1000℃的温度下对金属氧化物压片进行烧结处理，得到金属氧化物靶材；

三、将本底真空抽至3×10^-4Pa～5×10^-4Pa，通入纯氧控制气压为0.1～10Pa，调节Si基片的温度为350～500℃，采用准分子激光器照射金属氧化物靶材，在Si基片上脉冲激光沉积厚度为10～50nm的金属氧化物层，沉积结束后保温20～30min，最后自然冷却到室温，得到具有超快响应速度的光电位置传感材料；

其中步骤二所述的金属氧化物为Fe₃O₄、ZnO或TiO₂。

本发明具有超快响应速度的光电位置传感材料及其制备方法包含如下优点：

1、金属氧化物廉价易得，而且化学性质稳定；

2、该光电位置传感材料的位置灵敏度在1mW的激光照射下达到了54mV/mm，灵敏度高适合应用在位置灵敏器中；

3、该光电位置传感材料的侧向光伏响应的上升沿为60ns，半峰宽在5μs左右，远远高于目前位置敏感器的最高指标200ns；

4、现有Si基半导体器件技术成熟，该光电位置传感结构极易与现有的半导体加工工艺相结合。

附图说明

图1为侧向光伏位置灵敏度测试的结构示意图，其中1—单色激光器，2—扩束镜，3—凸透镜，4—二维平移台；

图2为侧向光伏位置灵敏度测试的局部结构示意图，其中5—六位半数字多用表；

图3为侧向光伏时间响应测试的结构示意图，其中1—飞秒激光器，2—飞秒激光测试平台，3—二维平移台；

图4为侧向光伏时间响应测试的局部结构示意图，其中4—可变电阻器，5—数字示波器；

图5为实施例一至三侧向光伏与光斑位置间的关系图，其中1—实施例一的光电位置传感材料，2—实施例二的光电位置传感材料，3—实施例三的光电位置传感材料；

图6为实施例一无负载时侧向光伏的时间响应测试曲线图；

图7为实施例一有负载时侧向光伏的时间响应测试曲线图。

具体实施方式