光電位置傳感器精選

1、3.2.7 光電位置傳感器（PSD) Position Sensitive Detectors 二、光固態(tài)圖象傳感器 光固態(tài)圖象傳感器由 光敏元件陣列光敏元件陣列 和電荷轉(zhuǎn)移器件電荷轉(zhuǎn)移器件 集 合而 成 。它 的核 心 是電電 荷荷 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 移移 器器件件 CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年問世以后，由于它的低 噪聲等特點，CCD圖象傳感器廣泛的被應用在微光電視 攝像、信息存儲和信息處理等方面。 1 1CCDCCD的結(jié)構(gòu)和基本原理的結(jié)構(gòu)和基本原理 P型Si 耗盡區(qū) 電荷轉(zhuǎn)移方向

2、1 2 3 輸出柵 輸入柵 輸入二極管 輸出二極管 SiO2 CCD的MOS結(jié)構(gòu) CCD是由若干個電荷耦合單元組成，該單 元的結(jié)構(gòu)如圖所示。 CCD的最小單元是在 P型 （或N型）硅襯底上生長一層厚度約為120nm的 SiO2，再在 SiO2層上依次沉積鋁電極而構(gòu)成 MOS的電容式轉(zhuǎn)移器。將MOS陣列加上輸入、 輸出端，便構(gòu)成了CCD。 當向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯 底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正 偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子） 被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖中 1極下），形成電荷包（勢阱） 。對于N型硅 襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流 子

3、為空穴。 如何實現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？電荷轉(zhuǎn)移的控制方法， 非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相 等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電 荷定向轉(zhuǎn)移的過程。見圖 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 (a) 1 2 3 t0 t1 t2 t3 t (b) 電荷轉(zhuǎn)移過程 t=t 0 t=t 1 t=t 2 t=t 3 0 三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電 極P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖1， 2，3，見圖（ b）。CCD電荷的注入通常有光

4、注入、 電注入和熱注入等方式。圖 (b)采用電注入方式。當 P1極 施加高電壓時，在 P1下方產(chǎn)生電荷包（ t=t0）；當P2極加 上同樣的電壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來 在P1下的電荷將在 P1、P2兩電極下分布（ t=t1）；當P1回 到低電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中（ t=t2）。 然后，p3的電位升高， P2回到低電位，電荷包從 P2下轉(zhuǎn) 到P3下的勢阱（t=t3），以此控制，使 P1下的電荷轉(zhuǎn)移到 P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一 端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子， 送入放大器處理，便實現(xiàn) 電荷移動。 2線型CCD圖像傳感器 線型

5、CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列 CCD并行 且對應的構(gòu)成一個主體 ,在它們之間設有一個轉(zhuǎn)移控制柵 , 如圖4.4-4(a)所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公 共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當入射光照 射在光敏元件陣列上 ,梳狀電極施加高電壓時 ,光敏元件聚 集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成 正比。在光積分時間結(jié)束時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高 (平時 低電壓 ),與CCD對應的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然 后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷 并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當轉(zhuǎn)移完畢 ,轉(zhuǎn)移柵電壓降 低,梳妝電極電壓回復原來的高電壓狀態(tài) ,準備下一次光

6、積 分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖 ,將 存儲的電荷從 CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個過程重復 地進行就得到相繼的行輸出 ,從而讀出電荷圖形。 目前，實用的線型 CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如 圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移 到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用 下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就形 成了原來光敏信號電荷的順序。 轉(zhuǎn)移柵 光積分單元 不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu) 光積分區(qū) 輸出 轉(zhuǎn)移柵 (a) (b) 線型CCD圖像傳感器 輸出 3面型CCD圖像傳感器圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū) 和輸出轉(zhuǎn)移部分組成

7、。目前存在三種典型結(jié)構(gòu) 形式，如圖所示。 圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄 存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路 將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上 ，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極 管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像 信號。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。 二相驅(qū)動 視頻輸出 行 掃 描 發(fā) 生 器 輸 出 寄 存 器 檢波二極管 二相驅(qū)動 感光區(qū) 溝阻 P 1 P 2 P3 P1 P 2 P 3 P1 P2 P3 感光區(qū) 存儲區(qū) 析像單元 視頻輸出 輸出柵 串行讀出 面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu) (a) (b) 圖（b）所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向 電極的不透光的信

8、息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周 期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的 電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結(jié) 束后，感光區(qū)回復到積光狀態(tài)。在水平消隱周期 內(nèi)，存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移動，每次總是 將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器， 該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信 號輸出。當整幀視頻信號自存儲移出后，就開始 下一幀信號的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、 電極簡單等優(yōu)點，但增加了存儲器。 光柵報時鐘 二相驅(qū)動 輸出寄存器 檢波二極管 視頻輸出 垂直轉(zhuǎn)移 寄存器 感光區(qū) 二相驅(qū)動 (c) 圖(c)所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。 它將圖(b)中感光元件與存儲元件相隔

9、排列。即一 列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。 在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時，轉(zhuǎn)移控制柵打開 ，電荷信號進入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃 周期內(nèi)，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上 移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信 號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形 成視頻信號輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡單，但 單元設計復雜，感光單元面積減小，圖像清晰。 目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來越多，所能 生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多，最多已達 10241024 像元。我國也能生產(chǎn) 512320像元的面型CCD圖像傳感 器。 5、光電耦合器件 ?光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極 管）和光

10、電接收元件合并使用, 以光作為 媒介傳遞信號的光電器件。 ?光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導體的 發(fā)光二極管, 光電接收元件有光敏電阻、 光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。 ?根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實 現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物 體的光電開關。 圖8-20 光電耦合器組合形式 輸 入輸出 輸入 輸出 (a)(b) 三、光電耦合器三、光電耦合器 光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時 封裝在一個外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。 絕緣玻璃 發(fā)光二極管 透明絕緣體 光敏三極管 塑料 發(fā)光二極管 光敏三極管 透明樹脂 1. 光電耦合器的結(jié)構(gòu) 采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié) 構(gòu)，在其中

11、部對接，采用環(huán)焊 以保證發(fā)光二極管和光敏二極 管對準，以此來提高靈敏度。 (a)金屬密封型 (b)塑料密封型 采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié) 構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再 用透明樹脂固定，具有集光作用 ，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。 2. 光電耦合器的組合形式 光電耦合器的組合形式有多種，如圖 4.4-7所示。 (a) (b) (c) (d) 光電耦合器的組合形式 該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用 于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。 該形式采用高速開關管構(gòu)成的高速光 電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。 該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的 高傳輸效率的光電耦合器，適用于直 接驅(qū)動和較低頻率的裝置中。 該形式

12、采用功能器件構(gòu)成的高速、高 傳輸效率的光電耦合器。 2. 光電開關光電開關 光電開關是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收， 并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得 最終的控制輸出“開”、 “關”信號的器件。 圖8-21為典型的光電開關結(jié)構(gòu)圖。圖 (a)是一種透射式的光 電開關， 它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。 當不透明 的物體位于或經(jīng)過它們之間時， 會阻斷光路，使接收元件接收 不到來自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測作用。 圖(b)是一種 反射式的光電開關，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平 面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當有物體 經(jīng)過時，接收元件將

13、接收到從物體表面反射的光，沒有物體時 則接收不到。光電開關的特點是小型、高速、非接觸，而且與 TTL、 MOS等電路容易結(jié)合。 圖8-21 (a) 透射式； (b) 反射式 發(fā)光元件 窗 接收元件 殼體 導線 接收元件發(fā)光元件 殼體 導線 (a)(b) 反射物 圖8-22 光電開關的基本電路 R Vcc CD4584 (a) R Vcc (b) R V cc (c) SN7414 一、煙塵濁度監(jiān)測儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。 為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量， 因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報 警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸 過程中的變化大小來檢測

14、的。如果煙道濁度增加， 光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到 達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的 強弱便可反映煙道濁度的變化。 第五節(jié) 光電傳感器的應用舉例 平行 光源 光電 探測 放大 顯示 刻度 校正 報警器 吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖 煙道 二、光電轉(zhuǎn)速傳感器 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。 圖(a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤， 在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達 光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖 信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由 該脈沖頻率

15、決定。 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固 定一個涂上黑白相間 條紋的圓盤，它們具 有不同的反射率。當 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與 不反光交替出現(xiàn)，光 電敏感器件間斷地接 收光的反射信號，轉(zhuǎn) 換為電脈沖信號。 三、光電池應用 光電池主要有兩大類型的應用： ? 將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能 轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是全世界范圍內(nèi)人們所 追求、探索新能源的一個重要研究課題。太陽能電池已 在宇宙開發(fā)、航空、通信設施、太陽電池地面發(fā)電站、 日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應用。目前太陽電池發(fā) 電成本尚不能與常規(guī)能源競爭，但是隨著太陽電池技術 不斷發(fā)展，成本會逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛 的應用。 ?

16、將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應用，需要光電池具有靈敏度 高、響應時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的 光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主 要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中。 光電池應用舉例如下： 1太陽電池電源 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、 調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載 供電，則加一個直流交流變換器，太陽電池電源系 統(tǒng)框圖如圖。 調(diào)節(jié)控制器 逆 變 器 交 流 負 載 太陽 電池 方陣 直 流 負 載 太陽能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管 2光電池在光電檢測和自動控制方面的應用 光電池作為光電探測使用時，其基本原理 與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制

17、造 工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外 加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率 特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、 光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、 紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。 (a) 光電追蹤電路 +12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 圖 (a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相 似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相 同時，執(zhí)行機構(gòu)按預定的方式工作或進行跟蹤。當系 統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構(gòu)進行 糾正，以此達到跟蹤的目的。 光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路 BG2 BG1 +12V C

18、 J R1 R2 (b) 光電開關 圖 (b)所示電路為光電開關，多用于自動控制系統(tǒng) 中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。 當光電池受光照射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強大 于某一設定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關目 的。 (c) 光電池觸發(fā)電路 R1 R2 R3 R4 R 5 R6 BG1 BG2 BG3 BG4 C1 C2 C3 +12V W 圖 (c)為光電池觸發(fā)電路。當光電池受光照 射時，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)， 改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導通。 +12V 5G23 (d) 光電池放大電路 C3 -12V W R1 R2 R3 R4 R5 C1 C

19、2 1 8 7 6 5 4 3 2 圖(d)為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度 、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱 光電信號進行線性放大，然后帶動指示機構(gòu)或二次儀 表進行讀數(shù)或記錄。 在 實 際 應 用 中，主要利用光 電池的光照特性 、光譜特性、頻 率特性和溫度特 性等，通過基本 電路與其它電子 線路的組合可實 現(xiàn)或自動控制的 目的。 220V C1 路燈 CJD-10 8V 200 F 200 F C2 C3 100 F R1 R3 R5 R7 R4 R6 R7 R2 J 470k 200k 10k 4.3k BG1 280k 25k 57k 10k 路燈自動控制器路燈

20、自動控制器 BG2 BG3 BG4 2CR 四四 光敏二極管與三極管光敏二極管與三極管 一. 光敏二極管 1.工作原理與結(jié)構(gòu) 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管一樣，都有一個PN結(jié)，兩 根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向?qū)щ娦?。?同之處在于光敏二極管的PN結(jié)狀在管殼的頂部，可直接受 到光的照射，其結(jié)構(gòu)和電路如圖所示。 沒有光照射時沒有光照射時，處于反向偏置的光敏二極管，工作于截止狀態(tài)處于反向偏置的光敏二極管，工作于截止狀態(tài), 這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成 微小的反向電流即暗電流。這時反向電阻很大。微小的反向電流即暗電流。這時反向電阻很大。 當光照射在PN結(jié)上時結(jié)上時

21、, 光子打在光子打在PN結(jié)附近結(jié)附近, PN結(jié)附近產(chǎn)生結(jié)附近產(chǎn)生 光生電子和光生空穴對。從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大 大增加，因此在反向外加電壓和內(nèi)電場的作用下大增加，因此在反向外加電壓和內(nèi)電場的作用下,P區(qū)的少數(shù)載區(qū)的少數(shù)載 流子渡越阻擋層進入流子渡越阻擋層進入N區(qū)，區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入?yún)^(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P 區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。這時 二極管處于導通狀態(tài)。光的照度越大二極管處于導通狀態(tài)。光的照度越大, 光電流越大。 3.光敏二極管的應 用 1 1）光電路燈控制電路）光電路燈控制電路 2）光強測量電路）光強測量電路 二. 光敏三級管 光電三極管比具有相同有效面積的光電二極管的光電 流大幾十至幾百倍，但相應速度較二極管差。 1.工作原理與結(jié)構(gòu) 基極開路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當光照射在集電 結(jié)上時, 在結(jié)附近產(chǎn)生電子 -空