一种具有面积补偿的光电二极管阵列

1.本发明涉及半导体功率器件，特别涉及一种用于光电编码器的具有面积补偿的光电二极管阵列检测器。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，在工业生产数控加工及自动生产线中，把计算机技术、传感器技术、通讯技术等相互结合，提高了产品加工的能力、加工精度和效率，光电编码器在这其中起到了至关重要的作用，光电编码器也逐渐发展成为成熟且性能优良的工业化产品，具有高分辨率、无接触误差、体积小、易于维护等优点，被广泛地应用于雷达、航空航天、自动化生产线、数控机床加工定位、汽车速度检测、伺服系统等各种工控场合。
3.随着许多领域对光电编码器的性能提出了更高的要求，光电编码器逐渐向着高精度、高分辨率、高可靠性、集成化的趋势发展。编码器对位移敏感性有较高的要求，但由于制造的局限性，高分辨率的编码器对光电二极管阵列检测器有更高的要求，需要对光电二极管阵列检测器的布局进行大量的设计工作。
4.传统的光电二极管阵列在设计时一般不考虑光强分布特点对输出信号的影响，不同位置的光电二极管设计成相同面积的大小，这种设计存在一个问题：距离光源较远的光电二极管由于受到的光强相对较弱，所以产生的光电信号也相对较小，导致不同位置的光电二极管输出信号不一致，这种情况在绝对码信号中产生的影响尤为显著。也有考虑光强分布特点对输出信号影响的设计，但一般都是针对某一光源的定制化设计，根据该光源的光强分布特点对不同位置的光电二极管进行相应的面积补偿，以达到不同位置的光电二极管输出信号一致性的效果。但是由于材料、几何形状、封装等因素，不同种类和不同型号的光源在光强分布上差别较大，针对某一光源设计的光电二极管阵列不能实现不同光源间的通用，灵活性和普适性较低，这样在使用不同型号的光源时，需要针对不同的光源进行对应的设计，增大了设计难度和设计成本。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种应用于光电编码器的光电二极管阵列结构，可以适应多种不同光强分布的光源，根据不同光源的光强分布特点，分别对各个位置的光电二极管进行多块面积补偿，每一块面积补偿分别与一种光源相对应，各个补偿模块的输出信号通过开关电路与主光电二极管的输出接在一起，在使用不同型号的光源时，通过开关电路接通与该光源对应的补偿部分即可，实现了光电二极管阵列芯片的灵活性和普适性，在适应不同型号的光源同时，降低了设计复杂度和设计成本。
6.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种具有面积补偿的光电二极管阵列，该光电二极管阵列包括多个具有大面积的主光电二极管和多个小面积的补偿光电二极管，每个主光电二极管和同一列的补偿光电二极管构成一个光电二极管组，若干光电二极管组并行排列构成光电二极管阵列，同一组中
的每个补偿光电二极管的输出信号通过开关电路与该组中主光电二极管的输出连在一起；不同位置的主光电二极管的面积不同，从中间位置向两侧，主光电二极管的面积依次增大。
8.进一步地，主光电二极管和补偿光电二极管的形状为矩形，且同一组的主光电二极管和补偿光电二极管的宽度相同，高度不同。
9.进一步地，主光电二极管和补偿光电二极管构成的光电二极管组平行排列。
10.进一步地，补偿光电二极管均位于主光电二极管的同侧，且每一组中的补偿光电二极管的数量是相同的。
11.进一步地，补偿光电二极管位于主光电二极管的两侧，且每个光电二极管组中所包含的补偿光电二极管在同一侧的数量相等。
12.根据权利要求1所述的主光电二极管，其特征在于，各主光电二极管的宽度相同，只有高度不同，从中间位置向两侧，主光电二极管的高度依次增大，主光电二极管的高度或者只向同侧延伸，或者向两侧延伸；而且主光电二极管阵列关于中间位置的主光电二极管的中轴线是轴对称的。
13.进一步地，不同位置的补偿光电二极管的面积不同，从中间位置向两侧，补偿光电二极管的面积依次增大，但各补偿光电二极管的宽度相同，只有高度不同，而且关于中间位置的补偿光电二极管的中轴线是轴对称的。
14.进一步地，每个补偿光电二极管均与一个开关电路相连，而且每个补偿光电二极管对应的开关电路都是单独控制的。
15.本发明的光电二极管检测器采用阵列设计，同时适用于增量信号和绝对信号，灵活性高，而且光电二极管组由主光电二极管和若干补偿光电二极管组成，通过开关选择不同的补偿光电二极管接入主光电二极管，可以适应不同光强分布的光源，而且距离光源越远的光电二极管面积补偿越大，使得各个位置的光电二极管的输出信号趋于一致，改善了光源波动的影响，稳定性好，响应度高，适用于旋转编码器。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
17.图1为型号1光源在y和x方向上的归一化光强分布示意图。
18.图2为型号2光源在y和x方向上的归一化光强分布示意图。
19.图3为单个光电二极管的结构示意图。
20.图4为补偿光电二极管在主光电二极管上侧的结构示意图。
21.图5为补偿光电二极管在主光电二极管下侧的结构示意图。
22.图6为补偿光电二极管在主光电二极管两侧的结构示意图。
23.图标：
24.10：高掺杂p型半导体；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20：金属1；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
30：金属2；
25.40：高掺杂n型半导体；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
50：补偿光电二极管；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
60：金属导线；
26.70：主光电二极管；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
80：开关电路；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
90：金属焊盘
具体实施方式
27.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.如图1和图2所示，是同一公司两种不同型号的光源芯片，两种芯片的发光材料和发光波长相同，由于封装尺寸的不同，两种型号的光源在光强分布上差别较大，如果按照传统方式针对一款光源设计光电二极管阵列的补偿部分，则不能适用于另一款光源芯片，这样在使用不同型号的光源时，需要针对不同的光源进行对应的设计，增大了设计难度和设计成本，而使用本发明的设计方法则可以有效解决这个问题，实现多款光源芯片之间的通用。
29.图3所示为单个光电二极管的结构示意图，如图3所示每个光电二极管的阴极为高掺杂n型半导体40，每个高掺杂n型半导体40的周围为高掺杂p型半导体10构成的阳极，高掺杂p型半导体40和高掺杂n型半导体10分别通过金属电极20和金属电极30与外部电路连接。
30.图4为补偿光电二极管在主光电二极管上侧的结构示意图，如图4所示该光电二极管阵列由多个具有大面积的主光电二极管70和多个小面积的补偿光电二极管50组成，每个主光电二极管70和同一列的补偿光电二极管50构成一个光电二极管组，若干光电二极管组并行排列构成光电二极管阵列，同一组中的每个补偿光电二极管50的输出信号通过开关电路80与该组中主光电二极管70的输出连在一起，接到金属焊盘90上。
31.可选地，所述主光电二极管和补偿光电二极管的形状为矩形，且同一组的主光电二极管和补偿光电二极管的宽度相同，高度不同。
32.可选地，所述主光电二极管和补偿光电二极管构成的光电二极管组平行排列。
33.可选地，所述补偿光电二极管位于主光电二极管的上侧，且每一组中的补偿光电二极管的数量是相同的。
34.可选地，所述补偿光电二极管也可位于主光电二极管的下侧，如图5所示，且每一组中的补偿光电二极管的数量是相同的。
35.可选地，所述补偿光电二极管也可位于主光电二极管的上下两侧，如图6所示，且每组补偿光电二极管在同一侧的数量相等。
36.可选地，所述不同位置的主光电二极管的面积不同，从中间位置向两侧，主光电二极管的面积依次增大。
37.可选地，所述各主光电二极管的宽度相同，只有高度不同，从中间位置向两侧，主光电二极管的高度依次增大，可以只向上侧延伸，如图4所示；可以只向下侧延伸，如图5所示；也可以向两侧延伸，如图6所示；而且主光电二极管阵列关于中间位置的主光电二极管的中轴线是轴对称的。
38.可选地，所述不同位置的补偿光电二极管的面积不同，从中间位置向两侧，补偿光电二极管的面积依次增大，但各补偿光电二极管的宽度相同，只有高度不同，而且关于中间位置的补偿光电二极管的中轴线是轴对称的。
39.可选地，所述每个补偿光电二极管均与一个开关电路相连，而且每个补偿光电二极管对应的开关电路都是可以单独控制的。
40.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
41.与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果是：
42.(1)本发明将针对多款光源芯片的多个补偿光电二极管部分相结合，通过开关电路将各个补偿部分的输出信号与主光电二极管的输出信号接到一起，通过开关电路选择不同的补偿部分导通来适应不同光强分布的光源芯片，突破了传统的基于单一光源芯片的单一补偿，提供了一种新的设计方法。
43.(2)本发明设计的主光电二极管和补偿光电二极管，根据光强分布的特点，距离光源越远的光电二极管面积设计的越大，实现了不同位置的光电二极管输出信号良好的一致性，降低了后面处理电路的设计复杂度，提高了信号的可靠性。
44.(3)本发明设计的主光电二极管和补偿光电二极管，可以适应不同光强分布的光源芯片，相较于传统的一款光电二极管阵列芯片只适用于一款光源芯片的设计方法，提高了光电二极管阵列芯片的灵活性和普适性，降低了设计复杂度和设计成本。