第4章 光電式傳感器-2

1、1主講教師主講教師: : 陳銀銀陳銀銀158248077831582480778321 1：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得被測轉(zhuǎn)速通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得被測轉(zhuǎn)速 n=f/Nn=f/Nnn轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速； ff脈沖頻率；脈沖頻率； NN圓盤孔數(shù)。圓盤孔數(shù)。32 2：感煙傳感器：感煙傳感器( (火災(zāi)報警器的一部分火災(zāi)報警器的一部分) ) 由紅外發(fā)光二極管及光電由紅外發(fā)光二極管及光電三極管組成，但二者不在同一平面上三極管組成，但二者不在同一平面上( (有一定角度有一定角度) )。在無煙狀態(tài)。在無煙狀態(tài)時，光電三極管接收不到紅外線；時，光電三極管接

2、收不到紅外線；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子進(jìn)入感煙傳感器時，由當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子進(jìn)入感煙傳感器時，由于紅外線受煙霧粒的折射作用，光電三極管接收到紅外線，給出于紅外線受煙霧粒的折射作用，光電三極管接收到紅外線，給出煙霧報警信號。煙霧報警信號。4 3 3、防盜報警電路、防盜報警電路54 4：太陽能電池電源系統(tǒng)：太陽能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管蓄電池組由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制器和阻塞二極管組成。由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制器和阻塞二極管組成。調(diào)節(jié)控制器：充放電自動控制調(diào)節(jié)控制器：充放電自動控制阻塞二極管：避免蓄電池對太陽電池放電阻塞二極管：避免蓄電池對太陽電池

3、放電65 5：條形碼掃描筆：條形碼掃描筆掃描筆光敏三極管發(fā)光二極管條形碼卡片條形碼掃描方向光電掃描筆脈沖列OUTU76 6：吸收式煙塵濁度檢測儀：吸收式煙塵濁度檢測儀煙筒87 7、光電液位檢測、光電液位檢測98 8、自動照明燈、自動照明燈10119 9、路障燈、航標(biāo)指示燈電路、路障燈、航標(biāo)指示燈電路12 光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTDCTD（Charge Transfer Charge Transfer Device)Device)，最常用的是電荷耦合器件，最常用的是

4、電荷耦合器件CCD(Charge Coupled CCD(Charge Coupled Device)Device)。 CCDCCD具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能，以及集成度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。傳送等功能，以及集成度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。1314基于CCD光電耦器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)15CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個光敏元的位置完成圖像傳感16特點(diǎn)：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號電荷的產(chǎn)

5、生信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存貯信號電荷的存貯信號電荷的傳輸信號電荷的傳輸信號電荷的檢測信號電荷的檢測17 CCD 的工作過程的工作過程1. 有一個光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個感光有一個光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)量的電荷。像素上的光子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)量的電荷。182. 這些電荷可以被儲存起來。這些電荷可以被儲存起來。193. 電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。2021基本結(jié)構(gòu) CCD 是由規(guī)則排列的金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor,MOS）電容陣列組成。 MetalOxideSemiconductor 以

6、P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成MOS電容轉(zhuǎn)移器件。這樣一個MOS結(jié)構(gòu)稱為一個光敏元或一個像素。22CCD結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。232651801339066453322分辨率（MOS元多少）不同的圖象比較2425當(dāng)在金屬電極上施加一個正電壓當(dāng)在金屬電極上施加一個正電壓V VGG時，時，P P型硅中的多數(shù)載流型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，少數(shù)載流子（電子）吸引到子（空穴）受到排斥，少數(shù)載流子

7、（電子）吸引到P-SiP-Si界面界面處來，從而在界面附近形成一個帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，處來，從而在界面附近形成一個帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)， 也稱表也稱表面勢阱。對帶負(fù)電的電子來說，面勢阱。對帶負(fù)電的電子來說， 耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域。耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域。26 在一定的條件下，所加正電壓在一定的條件下，所加正電壓V VGG越大，耗盡層就越深，越大，耗盡層就越深，勢阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。勢阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上，如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子生了電子- -空穴對，光生電子被附近的勢阱所吸收，而空

8、空穴對，光生電子被附近的勢阱所吸收，而空穴被排斥出耗盡區(qū)。勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入穴被排斥出耗盡區(qū)。勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢阱附近的光強(qiáng)成正比。射到該勢阱附近的光強(qiáng)成正比。271將將MOSMOS陣列加上輸入、陣列加上輸入、 輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCDCCD器件。器件。28電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下圖以三相控制方式為例說也有二相、三相等控制方式之分。下圖以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。 P P1 1 P P1 1 P P2 2 P P2 2 P P3 3 P P3 3 P P1 1 P P1 1 P P2 2 P P2 2 P P3 3 P P3 3 P P1 1 P P1 1 P P2 2 P P2 2 P P3 3 P