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Fabricação e caracterização de um sensor múltiplo sensível à posição

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Fabricação e caracterização de um sensor múltiplo sensível à posição

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Título Fabricação e caracterização de um sensor múltiplo sensível à posição
Autor Souza, Eliasibe Luis de
Orientador Boudinov, Henri Ivanov
Co-orientador Correia, Ricardo Rego Bordalo
Data 2011
Nível Mestrado
Instituição Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Instituto de Informática. Programa de Pós-Graduação em Microeletrônica.
Assunto Física
Microeletronica
Sensor magnético
Resumo Este trabalho aborda o design, a fabricação e a caracterização de um sensor óptico de posição, o múltiplo PSD (Position Sensitive Detector). O sensor é composto de 64 PSDs unidimensionais em paralelo. O PSD é um sensor do qual o sinal de saída é uma medida direta do centro de gravidade do spot do feixe de luz que incide sobre ele, devido ao foto-efeito lateral. O múltiplo PSD foi fabricado com tecnologia planar de silício. No processo de fabricação foram utilizadas três máscaras litográficas e realizadas duas implantações iônicas de boro para formação de uma camada tipo-p no substrato de silício tipo-n. O sensor foi caracterizado elétrica e opticamente. Da caracterização elétrica, obtiveram-se informações dos contatos de alumínio e da resistência dos PSDs (resistência média de 570 kΩ), através das medidas I-V. Das medidas I-V feitas entre PSDs vizinhos obteve-se uma tensão de ruptura de 25 V. A caracterização óptica mostrou que os PSDs têm boa linearidade (cerca de 0,1 % de não linearidade) e resolução melhor que 10 μm. Análises com variação de potência do feixe de luz foram realizadas. A partir de 10 μW de potência do feixe, observou-se uma saturação da sensibilidade do PSD em aproximadamente 10 mV/mm e da foto-tensão lateral em aproximadamente 60 mV, quando o feixe estava incidindo num ponto fixo na área ativa a cerca de 5 mm de um contato, numa variação da potência de 78 nW a 65 μW. Medidas de balanceamento com dois feixes também foram realizadas, sendo obtidas funções de transferência com a variação das potências dos dois feixes para distâncias entre feixes de aproximadamente 2 e 11 mm. Elas mostraram que a sensibilidade aumenta com o aumento da potência e a distância entre os feixes. Foram feitas medidas com os dois feixes incidindo em pontos simétricos ao ponto de tensão nula. Alterando a potência de um dos feixes, a foto-tensão lateral varia no mesmo sentido da variação entre as potências dos feixes. Essa medida confirma a utilização do dispositivo como um diferenciador de sinal óptico, que pode ser usado em várias aplicações, e.g. em um espectrômetro diferencial.
Abstract This work deals with design, fabrication and characterization of an optical position sensor, so-called multiple PSD. The sensor is made of 64 one-dimensional PSDs made parallel to each other. A Position Sensitive Detector - PSD is a sensor which produces a signal that is a direct measure for the centre of gravity of the incident light beam due to the lateral photo-effect. The silicon planar technology was used to make multiple PSDs. Three photo masks were used in the fabrication process in which two boron ion implantations were employed to make a p-type layer in an n-type silicon substrate. Electrical and optical characterizations were realized on the sensor. From electrical characterization, information about the resistive layer and aluminium contacts on resistive layers was obtained. The mean resistance was 570 kΩ. I-V characteristics were measured between neighbour PSDs, from where one can see the breakdown voltage in about 25 V. The optical characterization showed the PSDs have about 0,1% nonlinearity and resolution better than 10 μm. Analyses with variations of the light beam’s power were made. These measurements showed that for a power from about 10 μW, the PSD sensibility saturated in about 10 mV/mm as well as the lateral photo voltage in about 60 mV, when the light beam was hitting the active area on a fixed point located about 5 mm from a contact, within 78 nW to 65 μW range power. In balancing measurements with two light beams placed about 2 mm (and later 11 mm) away from each other and with power variation, transfer functions were obtained. They showed sensitivity grows with increase of power and distance between the light beams. Measurements with the two beams hitting two symmetrical points to the null voltage point were made, from where one can see lateral voltage is null for beams with the same power. Changing the power of one of the beams, the lateral voltage moves in the same direction of the variation between the beam powers. This result confirms the use of a PSD like an optical differentiator, in this way it can be used in several applications, e.g. in a differential spectrometer.
Tipo Dissertação
URI http://hdl.handle.net/10183/49066
Arquivos Descrição Formato
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