位置传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电位置传感器技术领域，特别是指一种超高精度的纳米列阵位置传 感器。
【背景技术】
[0002] 高精度光电位置传感器在现代工业，军事，以及日常生活中都有着十分重要的运 用，是智能系统中不可或缺的定位传感装置。对于高精密的智能系统来说，其精密程度取决 于传感器的反馈精度和机械控制精度。
[0003] 当前广泛应用的位置传感器（Position Sensitive Device, PSD)是基于半导体薄 膜的电子元件，其工作原理是利用横向光电作用，光点照射部分的半导体薄膜产生光生电 子，电子浓度差异造成光生电子向两电极间流动形成可探测电流，根据电流差进而计算出 光点在传感器表面的照射位置。根据PSD这一广泛应用的位敏传感器的工作机理，电子浓 度扩散受半导体薄膜材料纯度、均匀度、以及载流子运动的非线性等因素的影响，使得其精 度的系统误差难以避免。当今世界最高精度的PSD只能达到数微米（5微米），更高精度的 位敏传感器则被更复杂和精细的点阵式图像传感器CCD，CMOS逐渐取代。由于CCD，CMOS具 有复杂的像素结构，导致其感光部件光电二极管的面积不能小于临界值，否则失去感光效 应，如今CCD，CMOS的最高分辨率也在1微米以上。在当前技术下，位置传感精度也很难突 破微米量级。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种位置传感器，以提高其精度。
[0005] 基于上述目的，本发明提供的位置传感器包括阵列的三维半导体纳米柱、平板状 的透明薄膜电极和平板状的导电衬底，所述半导体纳米柱的顶部端面与所述透明薄膜电极 的一侧表面连接，底部端面与所述导电衬底的一侧表面连接，且所述透明薄膜电极与导电 衬底互相平行；所述导电衬底与透明薄膜电极通过独立回路电连接，所述独立回路包括电 压和电流检测单元，独立回路用于测定该独立回路中的阻值变化。
[0006] 在本发明的一些实施例中，所述导电衬底与透明薄膜电极的角位置通过独立回路 电连接。
[0007] 在本发明的一些实施例中，所述导电衬底与透明薄膜电极的至少两个相邻的角位 置分别通过独立回路电连接，每个独立回路分别用于测定该独立回路中的阻值变化。
[0008] 在本发明的一些实施例中，所述导电衬底与透明薄膜电极的一个角位置（即短 边）通过独立回路电连接，用于测定该独立回路中的阻值变化。
[0009] 在本发明的一些实施例中，所述半导体纳米柱为宽带半导体纳米柱。
[0010] 在本发明的一些实施例中，所述纳米柱的横截面为多边形或者圆形。
[0011] 在本发明的一些实施例中，所述半导体纳米柱选自氧化锌纳米柱和氮化镓纳米柱 中的至少一种。
[0012] 在本发明的一些实施例中，所述纳米柱的半径40-60纳米，高度为600-1000nm。
[0013] 在本发明的一些实施例中，所述三维半导体纳米柱的表面经高分子氧化还原材料 镀膜修饰，所述表面修饰材料选自聚二烯丙基二甲基氯化铵和聚苯乙烯硫酸酯中的至少一 种。
[0014] 在本发明的一些实施例中，所述导电衬底包括柔性衬底和沉积于该柔性衬底上的 半导体氧化锌薄膜，所述氧化锌半导体薄膜与所述纳米柱的底部端面相连。
[0015] 在本发明的一些实施例中，所述柔性衬底选自聚对苯二甲基乙二醇酯。
[0016] 在本发明的一些实施例中，所述透明薄膜电极选自金电极。
[0017] 在本发明的一些实施例中，所述半导体纳米柱垂直于所述透明薄膜电极和导电衬 底。
[0018] 从上面所述可以看出，本发明提供的位置传感器具有与当前PSD类似的大小和整 体薄膜形状，由大量的竖直纳米柱阵列替代了整体的薄膜结构，并且在位置传感器的两个 角位置分别依次连接电压和电流检测单元，形成两个回路，通过测定在每个独立回路中的 阻值变化，即可获知光点照射传感器表面的具体位置信息，实现纳米级的光电位置传感。该 位置传感器利用了完全不同于PSD、C⑶和CMOS的器件机理，大幅度提高了材料的光电响 应性能。同时，利用截然不同的器件结构和简单加工手段，使这一新型纳米位置传感器具有 200纳米的超高位置探测精度，是现今最高精度位敏传感器的25倍。经优化后，该位置传感 器的精度可进一步提升至50纳米。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明一个实施例的位置传感器的结构示意图；
[0020] 图2为本发明实施例的位置传感器的扫描电子显微镜照片，
[0021] 图3为本发明实施例的位置传感器的界面示意图及其等效电路图；
[0022] 图4为本发明实施例的位置传感器的角位置的回路阻值计算示意图；
[0023] 图5为当光点照射本发明实施例位置传感器表面时，角α和β处回路内对应的 电阻值示意图；
[0024] 图6为在图5的基础上，两组同心圆交叉的位置的示意图；
[0025] 图7为在半径为0.5毫米的光电照射下，角α端电路内的电流与光点移动位置变 化；
[0026] 图8为本发明实施例的位置传感器角α和角β的光点照射表面对应位置的电流 等尚图；
[0027] 图9为本发明另一个实施例的位置传感器的结构示意图；
[0028] 图10为纳米光电位置传感器的结构上的对比示意图。
[0029] 其中：1、半导体纳米柱，2、透明薄膜电极，3、导电衬底。
【具体实施方式】
[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0031] 本发明提供的位置传感器包括阵列的三维半导体纳米柱、平板状的透明薄膜电极 和平板状的导电衬底，所述半导体纳米柱的顶部端面与所述透明薄膜电极的一侧表面连 接，底部端面与所述导电衬底的一侧表面连接，且所述透明薄膜电极与导电衬底互相平行； 所述导电衬底与透明薄膜电极通过独立回路电连接，所述独立回路包括电压和电流检测单 元，独立回路用于测定该独立回路中的阻值变化。
[0032] 参见图1，其为本发明实施例的位置传感器的结构示意图。在本发明的一个实施例 中，所述位置传感器包括阵列的三维半导体纳米柱1、平板状的透明薄膜电极2和平板状的 导电衬底3,所述半导体纳米柱1的顶部端面与所述透明薄膜电极2的一侧表面连接，该半 导体纳米柱1的底部端面与所述导电衬底3的一侧表面连接，且所述透明薄膜电极2与导 电衬底3互相平行。在材料上，优选光电特性强的半导体材料，更为优选地，使用极强光电 效应的新型半导体，例如氧化锌纳米柱和氮化镓纳米柱等，可以显著增强像素的光电效应。 用从底到顶的合成方法或者从顶到底的加工方式制备得到三维的半导体纳米柱1，作为像 素点的基本材料，所述三维半导体纳米柱对光强具有显著的放大作用。优选地，所述半导体 纳米柱1垂直于所述透明薄膜电极2和导电衬底3。进一步地，导电衬底3的另一侧表面与 绝缘衬底相连。
[0033] 参见图2,其为本发明实施例的位置传感器的扫描电子显微镜照片，半导体纳米柱 1阵列嵌入在绝缘介质中，上下两端分别连接薄膜透明薄膜电极2和导电衬底3,形成三明 治结构。在本发明的一个实施例中，所述半导体纳米柱1为宽带半导体纳米柱。
[0034] 在本发明的另一个实施例中，所述透明薄膜电极2可以是金属透明薄膜或是ITO 透明电极。优选地，所述透明薄膜电极2选自金电极。
[0035] 在本发明的一个实施例中，所述导电衬底3包括柔性衬底和沉积于该柔性衬底上 的半导体氧化锌薄膜，所述氧化锌半导体薄膜与所述纳米柱1的底部端面相连。在本发明 的另一个实施例中，所述柔性衬底选自聚对苯二甲基乙二醇酯（PET)。
[0036] 进一步地，对于一维位置传感器，平行电极（透明薄膜电极2和导电衬底3)之间 连接有一个独立回路；对于二维位置传感器，所述平行电极（透明薄膜电极2和导电衬底 3)的至少两个角位置分别连接有独立回路，所述独立回路包括电压和电流检测单元，每个 独立回路分别用于测定该独立回路中的阻止变化。优选地，在本发明的一个实施例中，所述 导电衬底与透明薄膜电极的两个相邻的角位置分别通过独立回路电连接，每个独立回路分 别用于测定该独立回路中的阻止变化。该位置传感器可以测平面上光点的位置（即二维）， 即X，Y方向两个方向上的光点位置。
[0037] 参见图3,其为本发明实施例的位置传感器的界面示意图及其等效电路图，可见， 该位置传感器的每一个独立回路相当于串并联混合电阻系统。在本发明的一个较佳实施例 中，所述平板状的透明薄膜电极2和平板状的导电衬底3均为四边形，多个半导体纳米柱1 以矩阵的形式规整地分布在透明薄膜电极2和导电衬底3之间，形成多列纳米柱1和多行 纳米柱1，参见图1。并且，在导电衬底3的相邻的两个角位置处（角α和角β)分别连接 独立回路（两个独立回路）。即在传感器两个角α和角β处，各连接一套独立电路，分别 加恒定电压，电流检测单元。该电流检测单元可以是电流表等。
[0038] 当光点照射传感器表面，对应两个角电路里的电流会随光点照射位置改变，进而 精确传感光点在传感器表面位置。因此，同阻值点形成以这一角（角α和角β)为圆心的 同心圆，参见图4,阻值计算可以根据公式：
[0040] 其中，Rt是总阻值；
[0041] Rf是两个相邻纳米柱之间半导体薄膜的无光照情况下的暗电阻；
[0042] Rr是半导体纳米柱暗电阻；
[0043] rp位置传感器的对角线长度；
[0044] 为以传感器连接独立回路的这个角为圆心的同心圆与传感器平面相切 出的弧度，即图4中所标志的角度；
[0045] df是两个相邻纳米柱间的距离；
[0046] η是指第