新型固態(tài)光電傳感器Read課件

新型傳感器技術(shù)張認(rèn)成

華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生系列課程12/16/20221新型傳感器技術(shù)張認(rèn)成

華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院碩士研究第一章新型固態(tài)光電傳感器象限探測(cè)器

光敏器件陣列

自掃描光電二極管陣列

光電位置傳感器PSD

電荷耦合器件CCD—以集成電路、半導(dǎo)體加工工藝以及光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的陣列傳感器12/16/20222第一章新型固態(tài)光電傳感器象限探測(cè)器

光敏器件陣列

自掃描本章內(nèi)容提要光電效應(yīng)普通光敏器件陣列自掃描二極管陣列光電位置傳感器PSD12/16/20223本章內(nèi)容提要光電效應(yīng)12/12/202231光電效應(yīng)定義：物質(zhì)由于光的作用而產(chǎn)生電流、電壓，或電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象分類(lèi)：外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)12/16/202241光電效應(yīng)定義：12/12/202241.1外光電效應(yīng)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的條件：入射光的頻率必須大于材料的紅限+_光電子光子光電流方向光電子流向外光電效應(yīng)12/16/202251.1外光電效應(yīng)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的條件：+_光電子光子光電1.1.1原理與結(jié)構(gòu)光照物質(zhì)電子獲能逸出表面光電流(光子)(光電子)光電流正比于光強(qiáng)度入射光的頻率必須大于材料的紅限光電傳感器對(duì)光具有選擇性光電材料:銀氧銫\銻銫\鎂化鎘等舉例:光電管\光電倍增管12/16/202261.1.1原理與結(jié)構(gòu)光照物質(zhì)電子獲能逸出表面光電1.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽(yáng)極A＋透明外殼2.結(jié)構(gòu)與測(cè)量電路：陽(yáng)極陰極結(jié)構(gòu)IURE測(cè)量電路12/16/202271.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽(yáng)極A＋透明真空光電管的特點(diǎn)線性度好;靈敏度低；測(cè)量弱光時(shí)，光電流很小，測(cè)量誤差大。光電倍增管可提高弱光測(cè)量的靈敏度光電倍增管可提高弱光測(cè)量的靈敏度

12/16/20228真空光電管的特點(diǎn)12/12/202281.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽(yáng)極A＋倍增極＋外殼結(jié)構(gòu)原理及測(cè)量電路12/16/202291.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽(yáng)極A＋倍增極＋外光電倍增管的特點(diǎn)很高的放大倍數(shù)（可達(dá)106）；適應(yīng)弱光測(cè)量；工作電壓高,一般需冷卻。

例如：0.1流明（lm）光通量時(shí)，光電管產(chǎn)生光電流為5μA;0.0001流明光通量時(shí)，光電倍增管的光電流為1000μA。相差1000×200倍12/16/202210光電倍增管的特點(diǎn)很高的放大倍數(shù)（可達(dá)106）；12/12/21.2內(nèi)光電效應(yīng)

——光敏器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)光電導(dǎo)效應(yīng)—半導(dǎo)體材料在光的照射下，電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)—半導(dǎo)體材料在光的照射下，在一定方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。12/16/2022111.2內(nèi)光電效應(yīng)

——光敏器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的物理1.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏電組光照半導(dǎo)體材料電子空穴對(duì)激發(fā)分裂導(dǎo)電粒子增加電導(dǎo)率增加光電流光的選擇性暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ用途:測(cè)光/光導(dǎo)開(kāi)關(guān)材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛mAI12/16/2022121.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏電組光照半導(dǎo)體材料電子空穴對(duì)光敏電阻的特性12/16/202213光敏電阻的特性12/12/202213光譜特性硫化鎘：可見(jiàn)光區(qū)域,λ=0.4~0.76μm

峰值0.7μm硫化鉈：可見(jiàn)光及近紅外區(qū),λ=0.5~1.7μm

峰值:1.2~1.3μm硫化鉛：可見(jiàn)光至中紅外區(qū),λ=0.5~3μm

峰值2.5μm根據(jù)光譜范圍選用！12/16/202214光譜特性硫化鎘：可見(jiàn)光區(qū)域,λ=0.4~0.76μm12/11.2.2光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏晶體管結(jié)構(gòu)與普通晶體管相似，但P-N結(jié)具有光敏特性。二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)。12/16/2022151.2.2光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏晶體管結(jié)構(gòu)12/12/20221光敏二極管無(wú)光照時(shí)：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向飽和漏電流——暗電流，一般為10-8~10-9A，相當(dāng)于普通二極管反向截止；

+RL漏電流無(wú)光照12/16/202216光敏二極管無(wú)光照時(shí)：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向續(xù)有光照時(shí)：P-N結(jié)吸收光子能量，產(chǎn)生大量的電子/孔穴對(duì)，P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度提高，在反向電壓的作用下反向飽和電流顯著增加，形成光電流。+RL光電流有光照12/16/202217續(xù)有光照時(shí)：P-N結(jié)吸收光子能量，產(chǎn)生大量的電子/孔穴對(duì)，P性能與用途光電流與光通量成線性關(guān)系，適應(yīng)于光照檢測(cè)方面的應(yīng)用；光電二極管動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快（<10μs）；但靈敏度低，溫度穩(wěn)定性差。光電三極管可以克服這些缺點(diǎn)。12/16/202218性能與用途光電流與光通量成線性關(guān)系，適應(yīng)于光照檢測(cè)方面的應(yīng)用光敏三極管電路集電結(jié)反向偏置基極無(wú)引出線圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcboIc12/16/202219光敏三極管電路集電結(jié)反向偏置圖2-8NPN光敏三極管電路I原理無(wú)光照時(shí)有光照時(shí)Icbo—反向飽和漏電流Iceo—光敏三極管暗電流Ic—集電結(jié)反向飽和電流Ie—光敏三極管光電流圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcbo12/16/202220原理無(wú)光照時(shí)圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcb應(yīng)用

—“電眼睛”

光電編碼器火災(zāi)報(bào)警器光電控制自動(dòng)化產(chǎn)生條形碼讀出器機(jī)器安全設(shè)施等12/16/202221應(yīng)用—“電眼睛”光電編碼器12/12/202221光電晶體管特性—光譜、伏安特性12/16/202222光電晶體管特性—光譜、伏安特性12/12/202222光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流和暗電流的影響十分顯著。在低照度下工作時(shí)應(yīng)選擇鍺管。12/16/202223光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流1.2.3光生伏特效應(yīng)—光電池物理基礎(chǔ)—光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體材料在光的作用下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象類(lèi)型—硒光電池、硅光電池12/16/2022241.2.3光生伏特效應(yīng)—光電池物理基礎(chǔ)—光生伏特效應(yīng)12/硒光電池原理無(wú)光照時(shí)，載流子擴(kuò)散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，動(dòng)平衡；有光照時(shí)，硒中激發(fā)出電子空穴對(duì)，電子穿過(guò)阻擋層，空穴留在硒中；電荷積累的結(jié)果：硒半導(dǎo)體成為正極，金屬成為負(fù)極。連接＋—極，產(chǎn)生連續(xù)的光電流P-硒N-金屬阻擋層12/16/202225硒光電池原理無(wú)光照時(shí)，載流子擴(kuò)散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進(jìn)光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應(yīng)范圍：0.3~0.7μm硅光電池光譜響應(yīng)范圍：0.5~1μm12/16/202226光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應(yīng)范圍：0.3~0.7μm1光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態(tài)溫度補(bǔ)償！12/16/202227光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態(tài)溫度補(bǔ)償！12/12/21.3普通光敏器件陣列象限探測(cè)器光敏器件陣列12/16/2022281.3普通光敏器件陣列象限探測(cè)器12/12/2022281.3.1象限探測(cè)器作用確定光點(diǎn)在平面上的位置坐標(biāo)；用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等。結(jié)構(gòu)利用光刻技術(shù)，將一整塊圓形或正方形光敏器件敏感面分割成若干區(qū)域；各個(gè)區(qū)域各面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱(chēng)；背面仍為一體。12/16/2022291.3.1象限探測(cè)器作用12/12/202229劃分形式：12/16/202230劃分形式：12/12/202230原理光點(diǎn)投射到探測(cè)器上；各象限上光斑大小不同；光生電動(dòng)勢(shì)也不同：U2<U1<U3<U4；可斷定光心在第4象限；標(biāo)定后，可知光心在X、Y方向的坐標(biāo)。3241U4U3U2U1XY12/16/202231原理3241U4U3U2U1XY12/12/202231和差坐標(biāo)換算Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y12/16/202232和差坐標(biāo)換算Y方向：3241U4U3U2U1Y12/12/2和差測(cè)量電路12/16/202233和差測(cè)量電路12/12/202233直差坐標(biāo)換算—器件旋轉(zhuǎn)45°Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y12/16/202234直差坐標(biāo)換算—器件旋轉(zhuǎn)45°Y方向：3241U4U3U2U1直差測(cè)量電路12/16/202235直差測(cè)量電路12/12/202235象限探測(cè)器的特點(diǎn)測(cè)量精度與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，只與光心位置有關(guān)；存在死區(qū)，光斑很小時(shí)特明顯，分辨率低；光斑落在一個(gè)象限時(shí)，失效，測(cè)量范圍小。12/16/202236象限探測(cè)器的特點(diǎn)測(cè)量精度與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，只與光心位置有關(guān)；12/1.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器多個(gè)光敏晶體管等間隔線性排列集成度一般為10～32像素／片；集成封裝，獨(dú)立引線；電路復(fù)雜，用多路開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化電路。12/16/2022371.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器12/1多路開(kāi)關(guān)輸出12/16/202238多路開(kāi)關(guān)輸出12/12/2022381.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級(jí)管陣列＋數(shù)字位移寄存器輸出電路簡(jiǎn)化集成度提高：64，128，256，512～4096線陣、面陣兩種形式電荷儲(chǔ)存工作方式工作原理復(fù)雜12/16/2022391.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級(jí)管陣列＋數(shù)1.4.1像元結(jié)構(gòu)N型硅表面擴(kuò)散P型硅材料，形成P-N結(jié)蒸涂SiO2（透明）覆蓋鋁膜，氧化層部分外露引出柵極、漏極、源極形成MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管SiO2N-SiP柵極Al膜漏極源極玻璃罩12/16/2022401.4.1像元結(jié)構(gòu)N型硅表面擴(kuò)散P型硅材料，形成P-N結(jié)等效電路VD：理想光敏二極管Cd：結(jié)電容Ug：柵極控制電壓1－通；0－短Uc：PN結(jié)反偏電壓RL：負(fù)載電阻IL：負(fù)載電流VT：場(chǎng)效應(yīng)管（開(kāi)關(guān)）Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU0開(kāi)關(guān)光敏二極管12/16/202241等效電路VD：理想光敏二極管Ug柵極控制電壓RLUcVDCd1.4.2工作過(guò)程預(yù)充電放電(積分)充電(信號(hào)輸出)放電充電......循環(huán)往復(fù),負(fù)載上周期性的輸出像元上的光信號(hào).Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU012/16/2022421.4.2工作過(guò)程預(yù)充電放電(積分)充電(信號(hào)輸出)預(yù)充電Ug=1,VT開(kāi)VD反向截止電源Uc經(jīng)RL給Cd充電UcCdVTRLP-N結(jié)上所充電荷QQ=CdUc充電結(jié)束Ug=1RLUcVDCdILVTU0++12/16/202243預(yù)充電Ug=1,VT開(kāi)Ug=1RLUcVDCdILVTU0放電(積分)Ug=0,VT關(guān)斷Cd經(jīng)VD放電CdVDCd放電荷為ΔQΔQ=(Ip+Id)Ts≈IpTsCd電壓減小為UcdUcd=Uc-ΔQ/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0++暗電流Id<<Ip亮電流12/16/202244放電(積分)Ug=0,VT關(guān)斷Ug=0RLUcVDCdIL循環(huán)充電(信號(hào)輸出)Ug=1，VT開(kāi)VD反向截止Uc經(jīng)CdVTRL充電,Cd電壓由Ucd開(kāi)始至UcCd上充電量為ΔQRl上最大電壓增量為Uomax=ΔQ/Cd=Ip(Ts/Cd)Ip與光強(qiáng)成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0++UcdIL≈Ip~E12/16/202245循環(huán)充電(信號(hào)輸出)Ug=1，VT開(kāi)Ug=1RLUcVDC1.4.3線陣SSPD結(jié)構(gòu)感光陣列+多路開(kāi)關(guān)+移位寄存器公共端相連(COM)各管性能相同多路開(kāi)關(guān)多選一在時(shí)鐘與脈沖的作用下依此輸出12/16/2022461.4.3線陣SSPD結(jié)構(gòu)12/12/202246移位輸出_以4像素SSPD為例預(yù)充電:S=[1111]循環(huán)輸出U0U2U1U31111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT12/16/202247移位輸出_以4像素SSPD為例預(yù)充電:S=[1111U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/202248U1φ1φ3φ5U2S1=011Φ1周期:S=[0111]VT1關(guān)閉,VD1放電其余截止無(wú)輸出U2U1U3

0111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1φ1φ3

φ5U2U3U4φ2φ412/16/202249Φ1周期:S=[0111]U2U1U30Φ2周期:S=[1011]VT1通,VD1充電VD1輸出至U0VT2關(guān)閉,VD2放電U2U1U31011φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/202250Φ2周期:S=[1011]U2U1U31Φ3周期:S=[1101]VT2通,VD2充電VD2輸出至U0VT3關(guān)閉,VD3放電以此類(lèi)推......Φn+1周期輸出VDn充電時(shí)間<<時(shí)鐘周期U2U1U31101φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/202251Φ3周期:S=[1101]U2U1U31電流放大輸出+_ILU0RsRf12/16/202252電流放大輸出+ILU0RsRf12/12/202252SSPD特點(diǎn)光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；暗電流：室溫下1pA隨溫升加大，1倍／7℃隨積分時(shí)間增大液氮致冷：積分時(shí)間可延至幾小時(shí)，測(cè)微光信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍：500:1輸出飽和信號(hào)與暗電流之比代替象限探測(cè)器10－510H1010－3Qmax12/16/202253SSPD特點(diǎn)光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；10－51.5PSD光電位置傳感器PositionSensitiveDetector連續(xù)檢測(cè)光點(diǎn)位置的光電元件12/16/2022541.5PSD光電位置傳感器Positio一、PSD的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。具有PIN三層結(jié)構(gòu)的平板半導(dǎo)體硅片圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖12/16/202255一、PSD的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。圖2－10PSD結(jié)構(gòu)光點(diǎn)位移與光電流的關(guān)系圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖12/16/202256光點(diǎn)位移與光電流的關(guān)系圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖12/1PSD的特點(diǎn)1）響應(yīng)速度快，可靠性高。2）光點(diǎn)位置測(cè)量精度與光斑的形狀

無(wú)關(guān)，只與光斑的能量中心有關(guān)，減小雜光日光的干擾；12/16/202257PSD的特點(diǎn)1）響應(yīng)速度快，可靠性高。12/12/20225PSD的特點(diǎn)3）光敏面上無(wú)須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑的位置，分辨率高，一維PSD可達(dá)0.02μm；4）可同時(shí)檢測(cè)光點(diǎn)的位置和強(qiáng)度，PSD總輸出電流反映光點(diǎn)的光強(qiáng)，兩極電流之差反映光點(diǎn)的位置。12/16/202258PSD的特點(diǎn)3）光敏面上無(wú)須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑PSD的特點(diǎn)5）PSD對(duì)光的波長(zhǎng)具有選擇性。如圖2－11是S1543的光譜特性圖，這種器件的響應(yīng)范圍在300～1100nm內(nèi)，峰值波長(zhǎng)在900nm左右的紅外區(qū)。圖2－11S1543PSD的光譜響應(yīng)曲線12/16/202259PSD的特點(diǎn)5）PSD對(duì)光的波長(zhǎng)具有選擇性。如圖2－11是S二、PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路一維PSD圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖12/16/202260二、PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路一維PSD圖2－1012/12/一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－13一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖12/16/202261一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－13一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖12/1三、二維PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路圖2－12二維PSD的結(jié)構(gòu)二維PSD12/16/202262三、二維PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路圖2－12二維PSD12/二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－14二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖12/16/202263二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－14二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖12/11.6光電傳感器的應(yīng)用12/16/2022641.6光電傳感器的應(yīng)用12/12/202264一、煙塵濁度檢測(cè)儀光源：400nm~700nm光檢測(cè)器范圍：400~600nm圖2-10吸收式煙塵濁度檢測(cè)儀框圖12/16/202265一、煙塵濁度檢測(cè)儀光源：400nm~700nm圖2-10二、光電轉(zhuǎn)速傳感器

圖2-11光電轉(zhuǎn)速測(cè)量略去2例12/16/202266二、光電轉(zhuǎn)速傳感器圖2-11光電轉(zhuǎn)速測(cè)量略去2例12/1光電脈沖轉(zhuǎn)換電路

圖2-12光電脈沖轉(zhuǎn)換電路12/16/202267光電脈沖轉(zhuǎn)換電路圖2-12光電脈沖轉(zhuǎn)換電路12/12/三、路燈自動(dòng)控制

圖2-13路燈自動(dòng)控制器12/16/202268三、路燈自動(dòng)控制圖2-13路燈自動(dòng)控制器12/12/原理當(dāng)天亮?xí)r，硅光電池受光照射后，它產(chǎn)生0.2～0.5Ｖ電動(dòng)勢(shì)，使BG1正偏壓而截止，后面多級(jí)放大器不工作，BG4截止，繼電器Ｊ不動(dòng)作，路燈回路觸頭斷開(kāi)，路燈不亮；當(dāng)天黑無(wú)光照時(shí)，光電池?zé)o光生電動(dòng)勢(shì)，使BG1的基極為低電位，BG1導(dǎo)通，經(jīng)BG2、BG3、BG4構(gòu)成多級(jí)直流放大，BG4導(dǎo)通使繼電器Ｊ動(dòng)作，從而接通交流接觸器，使常開(kāi)觸頭閉合，路燈亮。調(diào)節(jié)R1可改變自動(dòng)開(kāi)關(guān)的靈敏度。

12/16/202269原理當(dāng)天亮?xí)r，硅光電池受光照射后，它產(chǎn)生0.2～0.5Ｖ電動(dòng)四、光斷續(xù)器應(yīng)用

圖2-14料位檢測(cè)透射式+5V+12VU0R1R2物料物體物料發(fā)光二極管光敏三極管12/16/202270四、光斷續(xù)器應(yīng)用圖2-14料位檢測(cè)透射式+5V+12V反射式1-紅外發(fā)光二極管2-光敏三極管3-外殼4-引腳5-物體圖2-15透射式（a）反射式光斷續(xù)器(a)(b)VccVout12/16/202271反射式1-紅外發(fā)光二極管2-光敏三極管3-外殼4產(chǎn)生線上的自動(dòng)計(jì)數(shù)V運(yùn)輸帶產(chǎn)品圖2-16產(chǎn)生線上的自動(dòng)計(jì)數(shù)發(fā)光二極管光電三極管12/16/202272產(chǎn)生線上的自動(dòng)計(jì)數(shù)V運(yùn)輸帶產(chǎn)品圖2-16產(chǎn)生線上的自動(dòng)計(jì)五、光控自動(dòng)水龍頭

圖2－17光控水龍頭電路圖12/16/202273五、光控自動(dòng)水龍頭圖2－17光控水龍頭電路圖12/12六、聲控光敏延時(shí)開(kāi)關(guān)

圖2－18聲控光敏延時(shí)開(kāi)關(guān)電路12/16/202274六、聲控光敏延時(shí)開(kāi)關(guān)圖2－18聲控光敏延時(shí)開(kāi)關(guān)電路12思考題1光電效應(yīng)有哪三種類(lèi)型?對(duì)每一種效應(yīng),舉出一種傳感器,說(shuō)明其轉(zhuǎn)換原理.2與普通象限探測(cè)器相比較,自掃描光電二極管陣列有哪些突出的優(yōu)點(diǎn)?3簡(jiǎn)述自掃描光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)和光電流信號(hào)的輸出過(guò)程.4PSD光電位置傳感器與象限探測(cè)器相比有何優(yōu)越性?簡(jiǎn)述線陣PSD的工作原理.12/16/202275思考題1光電效應(yīng)有哪三種類(lèi)型?對(duì)每一種效應(yīng),舉出一種傳感綜合題目設(shè)計(jì)一個(gè)料位控制系統(tǒng),功能能要求：當(dāng)料位低于A點(diǎn)時(shí)自動(dòng)加料;當(dāng)料位高于B點(diǎn)時(shí)停止加料;當(dāng)料位在A、B之間時(shí)，保持狀態(tài)不變。設(shè)計(jì)內(nèi)容選擇傳感器；確定光電傳感器安裝位置，設(shè)計(jì)加料電動(dòng)機(jī)控制電路物料發(fā)光二極管光敏三極管AB12/16/202276綜合題目設(shè)計(jì)一個(gè)料位控制系統(tǒng),功能能要求：物料發(fā)光光敏AB1謝謝！12/16/202277謝謝！12/12/202277新型傳感器技術(shù)張認(rèn)成

華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生系列課程12/16/202278新型傳感器技術(shù)張認(rèn)成

華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院碩士研究第一章新型固態(tài)光電傳感器象限探測(cè)器

光敏器件陣列

自掃描光電二極管陣列

光電位置傳感器PSD

電荷耦合器件CCD—以集成電路、半導(dǎo)體加工工藝以及光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的陣列傳感器12/16/202279第一章新型固態(tài)光電傳感器象限探測(cè)器

光敏器件陣列

自掃描本章內(nèi)容提要光電效應(yīng)普通光敏器件陣列自掃描二極管陣列光電位置傳感器PSD12/16/202280本章內(nèi)容提要光電效應(yīng)12/12/202231光電效應(yīng)定義：物質(zhì)由于光的作用而產(chǎn)生電流、電壓，或電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象分類(lèi)：外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)12/16/2022811光電效應(yīng)定義：12/12/202241.1外光電效應(yīng)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的條件：入射光的頻率必須大于材料的紅限+_光電子光子光電流方向光電子流向外光電效應(yīng)12/16/2022821.1外光電效應(yīng)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的條件：+_光電子光子光電1.1.1原理與結(jié)構(gòu)光照物質(zhì)電子獲能逸出表面光電流(光子)(光電子)光電流正比于光強(qiáng)度入射光的頻率必須大于材料的紅限光電傳感器對(duì)光具有選擇性光電材料:銀氧銫\銻銫\鎂化鎘等舉例:光電管\光電倍增管12/16/2022831.1.1原理與結(jié)構(gòu)光照物質(zhì)電子獲能逸出表面光電1.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽(yáng)極A＋透明外殼2.結(jié)構(gòu)與測(cè)量電路：陽(yáng)極陰極結(jié)構(gòu)IURE測(cè)量電路12/16/2022841.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽(yáng)極A＋透明真空光電管的特點(diǎn)線性度好;靈敏度低；測(cè)量弱光時(shí)，光電流很小，測(cè)量誤差大。光電倍增管可提高弱光測(cè)量的靈敏度光電倍增管可提高弱光測(cè)量的靈敏度

12/16/202285真空光電管的特點(diǎn)12/12/202281.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽(yáng)極A＋倍增極＋外殼結(jié)構(gòu)原理及測(cè)量電路12/16/2022861.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽(yáng)極A＋倍增極＋外光電倍增管的特點(diǎn)很高的放大倍數(shù)（可達(dá)106）；適應(yīng)弱光測(cè)量；工作電壓高,一般需冷卻。

例如：0.1流明（lm）光通量時(shí)，光電管產(chǎn)生光電流為5μA;0.0001流明光通量時(shí)，光電倍增管的光電流為1000μA。相差1000×200倍12/16/202287光電倍增管的特點(diǎn)很高的放大倍數(shù)（可達(dá)106）；12/12/21.2內(nèi)光電效應(yīng)

——光敏器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)光電導(dǎo)效應(yīng)—半導(dǎo)體材料在光的照射下，電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)—半導(dǎo)體材料在光的照射下，在一定方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。12/16/2022881.2內(nèi)光電效應(yīng)

——光敏器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的物理1.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏電組光照半導(dǎo)體材料電子空穴對(duì)激發(fā)分裂導(dǎo)電粒子增加電導(dǎo)率增加光電流光的選擇性暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ用途:測(cè)光/光導(dǎo)開(kāi)關(guān)材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛mAI12/16/2022891.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏電組光照半導(dǎo)體材料電子空穴對(duì)光敏電阻的特性12/16/202290光敏電阻的特性12/12/202213光譜特性硫化鎘：可見(jiàn)光區(qū)域,λ=0.4~0.76μm

峰值0.7μm硫化鉈：可見(jiàn)光及近紅外區(qū),λ=0.5~1.7μm

峰值:1.2~1.3μm硫化鉛：可見(jiàn)光至中紅外區(qū),λ=0.5~3μm

峰值2.5μm根據(jù)光譜范圍選用！12/16/202291光譜特性硫化鎘：可見(jiàn)光區(qū)域,λ=0.4~0.76μm12/11.2.2光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏晶體管結(jié)構(gòu)與普通晶體管相似，但P-N結(jié)具有光敏特性。二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)。12/16/2022921.2.2光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏晶體管結(jié)構(gòu)12/12/20221光敏二極管無(wú)光照時(shí)：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向飽和漏電流——暗電流，一般為10-8~10-9A，相當(dāng)于普通二極管反向截止；

+RL漏電流無(wú)光照12/16/202293光敏二極管無(wú)光照時(shí)：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向續(xù)有光照時(shí)：P-N結(jié)吸收光子能量，產(chǎn)生大量的電子/孔穴對(duì)，P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度提高，在反向電壓的作用下反向飽和電流顯著增加，形成光電流。+RL光電流有光照12/16/202294續(xù)有光照時(shí)：P-N結(jié)吸收光子能量，產(chǎn)生大量的電子/孔穴對(duì)，P性能與用途光電流與光通量成線性關(guān)系，適應(yīng)于光照檢測(cè)方面的應(yīng)用；光電二極管動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快（<10μs）；但靈敏度低，溫度穩(wěn)定性差。光電三極管可以克服這些缺點(diǎn)。12/16/202295性能與用途光電流與光通量成線性關(guān)系，適應(yīng)于光照檢測(cè)方面的應(yīng)用光敏三極管電路集電結(jié)反向偏置基極無(wú)引出線圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcboIc12/16/202296光敏三極管電路集電結(jié)反向偏置圖2-8NPN光敏三極管電路I原理無(wú)光照時(shí)有光照時(shí)Icbo—反向飽和漏電流Iceo—光敏三極管暗電流Ic—集電結(jié)反向飽和電流Ie—光敏三極管光電流圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcbo12/16/202297原理無(wú)光照時(shí)圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcb應(yīng)用

—“電眼睛”

光電編碼器火災(zāi)報(bào)警器光電控制自動(dòng)化產(chǎn)生條形碼讀出器機(jī)器安全設(shè)施等12/16/202298應(yīng)用—“電眼睛”光電編碼器12/12/202221光電晶體管特性—光譜、伏安特性12/16/202299光電晶體管特性—光譜、伏安特性12/12/202222光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流和暗電流的影響十分顯著。在低照度下工作時(shí)應(yīng)選擇鍺管。12/16/2022100光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流1.2.3光生伏特效應(yīng)—光電池物理基礎(chǔ)—光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體材料在光的作用下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象類(lèi)型—硒光電池、硅光電池12/16/20221011.2.3光生伏特效應(yīng)—光電池物理基礎(chǔ)—光生伏特效應(yīng)12/硒光電池原理無(wú)光照時(shí)，載流子擴(kuò)散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，動(dòng)平衡；有光照時(shí)，硒中激發(fā)出電子空穴對(duì)，電子穿過(guò)阻擋層，空穴留在硒中；電荷積累的結(jié)果：硒半導(dǎo)體成為正極，金屬成為負(fù)極。連接＋—極，產(chǎn)生連續(xù)的光電流P-硒N-金屬阻擋層12/16/2022102硒光電池原理無(wú)光照時(shí)，載流子擴(kuò)散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進(jìn)光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應(yīng)范圍：0.3~0.7μm硅光電池光譜響應(yīng)范圍：0.5~1μm12/16/2022103光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應(yīng)范圍：0.3~0.7μm1光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態(tài)溫度補(bǔ)償！12/16/2022104光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態(tài)溫度補(bǔ)償！12/12/21.3普通光敏器件陣列象限探測(cè)器光敏器件陣列12/16/20221051.3普通光敏器件陣列象限探測(cè)器12/12/2022281.3.1象限探測(cè)器作用確定光點(diǎn)在平面上的位置坐標(biāo)；用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等。結(jié)構(gòu)利用光刻技術(shù)，將一整塊圓形或正方形光敏器件敏感面分割成若干區(qū)域；各個(gè)區(qū)域各面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱(chēng)；背面仍為一體。12/16/20221061.3.1象限探測(cè)器作用12/12/202229劃分形式：12/16/2022107劃分形式：12/12/202230原理光點(diǎn)投射到探測(cè)器上；各象限上光斑大小不同；光生電動(dòng)勢(shì)也不同：U2<U1<U3<U4；可斷定光心在第4象限；標(biāo)定后，可知光心在X、Y方向的坐標(biāo)。3241U4U3U2U1XY12/16/2022108原理3241U4U3U2U1XY12/12/202231和差坐標(biāo)換算Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y12/16/2022109和差坐標(biāo)換算Y方向：3241U4U3U2U1Y12/12/2和差測(cè)量電路12/16/2022110和差測(cè)量電路12/12/202233直差坐標(biāo)換算—器件旋轉(zhuǎn)45°Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y12/16/2022111直差坐標(biāo)換算—器件旋轉(zhuǎn)45°Y方向：3241U4U3U2U1直差測(cè)量電路12/16/2022112直差測(cè)量電路12/12/202235象限探測(cè)器的特點(diǎn)測(cè)量精度與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，只與光心位置有關(guān)；存在死區(qū)，光斑很小時(shí)特明顯，分辨率低；光斑落在一個(gè)象限時(shí)，失效，測(cè)量范圍小。12/16/2022113象限探測(cè)器的特點(diǎn)測(cè)量精度與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，只與光心位置有關(guān)；12/1.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器多個(gè)光敏晶體管等間隔線性排列集成度一般為10～32像素／片；集成封裝，獨(dú)立引線；電路復(fù)雜，用多路開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化電路。12/16/20221141.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器12/1多路開(kāi)關(guān)輸出12/16/2022115多路開(kāi)關(guān)輸出12/12/2022381.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級(jí)管陣列＋數(shù)字位移寄存器輸出電路簡(jiǎn)化集成度提高：64，128，256，512～4096線陣、面陣兩種形式電荷儲(chǔ)存工作方式工作原理復(fù)雜12/16/20221161.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級(jí)管陣列＋數(shù)1.4.1像元結(jié)構(gòu)N型硅表面擴(kuò)散P型硅材料，形成P-N結(jié)蒸涂SiO2（透明）覆蓋鋁膜，氧化層部分外露引出柵極、漏極、源極形成MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管SiO2N-SiP柵極Al膜漏極源極玻璃罩12/16/20221171.4.1像元結(jié)構(gòu)N型硅表面擴(kuò)散P型硅材料，形成P-N結(jié)等效電路VD：理想光敏二極管Cd：結(jié)電容Ug：柵極控制電壓1－通；0－短Uc：PN結(jié)反偏電壓RL：負(fù)載電阻IL：負(fù)載電流VT：場(chǎng)效應(yīng)管（開(kāi)關(guān)）Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU0開(kāi)關(guān)光敏二極管12/16/2022118等效電路VD：理想光敏二極管Ug柵極控制電壓RLUcVDCd1.4.2工作過(guò)程預(yù)充電放電(積分)充電(信號(hào)輸出)放電充電......循環(huán)往復(fù),負(fù)載上周期性的輸出像元上的光信號(hào).Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU012/16/20221191.4.2工作過(guò)程預(yù)充電放電(積分)充電(信號(hào)輸出)預(yù)充電Ug=1,VT開(kāi)VD反向截止電源Uc經(jīng)RL給Cd充電UcCdVTRLP-N結(jié)上所充電荷QQ=CdUc充電結(jié)束Ug=1RLUcVDCdILVTU0++12/16/2022120預(yù)充電Ug=1,VT開(kāi)Ug=1RLUcVDCdILVTU0放電(積分)Ug=0,VT關(guān)斷Cd經(jīng)VD放電CdVDCd放電荷為ΔQΔQ=(Ip+Id)Ts≈IpTsCd電壓減小為UcdUcd=Uc-ΔQ/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0++暗電流Id<<Ip亮電流12/16/2022121放電(積分)Ug=0,VT關(guān)斷Ug=0RLUcVDCdIL循環(huán)充電(信號(hào)輸出)Ug=1，VT開(kāi)VD反向截止Uc經(jīng)CdVTRL充電,Cd電壓由Ucd開(kāi)始至UcCd上充電量為ΔQRl上最大電壓增量為Uomax=ΔQ/Cd=Ip(Ts/Cd)Ip與光強(qiáng)成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0++UcdIL≈Ip~E12/16/2022122循環(huán)充電(信號(hào)輸出)Ug=1，VT開(kāi)Ug=1RLUcVDC1.4.3線陣SSPD結(jié)構(gòu)感光陣列+多路開(kāi)關(guān)+移位寄存器公共端相連(COM)各管性能相同多路開(kāi)關(guān)多選一在時(shí)鐘與脈沖的作用下依此輸出12/16/20221231.4.3線陣SSPD結(jié)構(gòu)12/12/202246移位輸出_以4像素SSPD為例預(yù)充電:S=[1111]循環(huán)輸出U0U2U1U31111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT12/16/2022124移位輸出_以4像素SSPD為例預(yù)充電:S=[1111U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/2022125U1φ1φ3φ5U2S1=011Φ1周期:S=[0111]VT1關(guān)閉,VD1放電其余截止無(wú)輸出U2U1U3

0111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1φ1φ3

φ5U2U3U4φ2φ412/16/2022126Φ1周期:S=[0111]U2U1U30Φ2周期:S=[1011]VT1通,VD1充電VD1輸出至U0VT2關(guān)閉,VD2放電U2U1U31011φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/2022127Φ2周期:S=[1011]U2U1U31Φ3周期:S=[1101]VT2通,VD2充電VD2輸出至U0VT3關(guān)閉,VD3放電以此類(lèi)推......Φn+1周期輸出VDn充電時(shí)間<<時(shí)鐘周期U2U1U31101φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/2022128Φ3周期:S=[1101]U2U1U31電流放大輸出+_ILU0RsRf12/16/2022129電流放大輸出+ILU0RsRf12/12/202252SSPD特點(diǎn)光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；暗電流：室溫下1pA隨溫升加大，1倍／7℃隨積分時(shí)間增大液氮致冷：積分時(shí)間可延至幾小時(shí)，測(cè)微光信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍：500:1輸出飽和信號(hào)與暗電流之比代替象限探測(cè)器10－510H1010－3Qmax12/16/2022130SSPD特點(diǎn)光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；10－51.5PSD光電位置傳感器PositionSensitiveDetector連續(xù)檢測(cè)光點(diǎn)位置的光電元件12/16/20221311.5PSD光電位置傳感器Positio一、PSD的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。具有PIN三層結(jié)構(gòu)的平板半導(dǎo)體硅片圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖12/16/2022132一、PSD的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。圖2－10PSD結(jié)構(gòu)光點(diǎn)位移與光電流的關(guān)系圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖12/16/2022133光點(diǎn)位移與光電流的關(guān)系圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖12/1PSD的特點(diǎn)1）響應(yīng)速度快，可靠性高。2）光點(diǎn)位置測(cè)量精度與光斑的形狀

無(wú)關(guān)，只與光斑的能量中心有關(guān)，減小雜光日光的干擾；12/16/2022134PSD的特點(diǎn)1）響應(yīng)速度快，可靠性高。12/12/20225PSD的特點(diǎn)3）光敏面上無(wú)須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑的位置，分辨率高，一維PSD可達(dá)0.02μm；4）可同時(shí)檢測(cè)光點(diǎn)的位置和強(qiáng)度，PSD總輸出電流反映光點(diǎn)的光強(qiáng)，兩極電流之差反映光點(diǎn)的位置。12/16/2022135PSD的特點(diǎn)3）光敏面上無(wú)須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑PSD的特點(diǎn)5）PSD對(duì)光的波長(zhǎng)具