第8章 光電式傳感器

第八章光電傳感器2023/1/311

2023/1/312一、教學(xué)目標(biāo)（1）了解光電元件的結(jié)構(gòu)和分類。

（2）掌握光電式傳感器的工作原理及光電元件的基本應(yīng)用電路。（3）熟悉光電式傳感器在工程上的應(yīng)用。二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1、重點(diǎn)：光電效應(yīng)和光電元件。2、難點(diǎn)：光電元件的基本應(yīng)用電路。三、教學(xué)學(xué)時

6學(xué)時

8.1光電效應(yīng)與光電元件8.2光電元件的基本應(yīng)用電路8.3光電式傳感器的應(yīng)用

1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。

2023/1/3148.1光電效應(yīng)與光電元件

8.1.1光電效應(yīng)

一束光是由一束以光速運(yùn)動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有能量，每個光子具有的能量由下式確定：

E=hf

（10-1）

式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)

f——光的頻率（s-1）。

光電效應(yīng):當(dāng)用光照射在某一物體上時，可以看做是物體受到一連串能量為hf的光子轟擊，組成這種物體的材料吸收了光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的現(xiàn)象（如發(fā)射光電子、電導(dǎo)率變化、產(chǎn)生電動勢等），這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：光電管、光電倍增管光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管 內(nèi)光電效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：光電池1.外光電效應(yīng)

在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定理式中：m——電子質(zhì)量；

v0——電子逸出初速度。

上式為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式,由式可知：

1)光子能量必須超過逸出功A0，才能產(chǎn)生光電子；

2)入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比；

3)光電子逸出物體表面時具有初始動能 ，因此對于外光電效應(yīng)器件，即使不加初始陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。2.內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線的作用下使物體的電阻率發(fā)生改變的光電效應(yīng)。常見的基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管等。3.光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是指在光線照射下，半導(dǎo)體材料吸收光能后，引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。常見的基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池。圖8-1PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)1）光電管(a)真空光電管(b)充氣光電管圖8-2光電管的結(jié)構(gòu)示意圖8.1.2光電元件

1.基于外光電效應(yīng)的光電元件光電管的工作原理當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線（紫外線）照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，在（紫外）光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。2）光電倍增管

在入射光極為微弱時，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小。光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽極

2.基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件①光敏電阻的工作原理

光敏電阻又稱光導(dǎo)管,它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無光照時,光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。1）光敏電阻當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級,亮電阻在幾千歐以下。光敏電阻演示

2023/1/3118暗電流（越小越好）當(dāng)無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流（暗電流）很小。

當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值（亮電阻）減小，電流（亮電流）增大。光敏電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8-6光敏電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—玻璃；2—光電導(dǎo)層；3—電極；4—絕緣襯底；5—金屬殼；6—黑色絕緣玻璃；7—引線半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生光電效應(yīng)只限于光照的表面層，所以光敏電阻的電極一般采用梳狀，這樣可以提高光敏電阻的靈敏度。圖8-7梳狀光敏電阻②光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻和暗電流光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。（2）亮電阻和亮電流光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。（3）光電流亮電流與暗電流之差，稱為光電流。（4）響應(yīng)時間。光敏電阻具有延時特性，上升響應(yīng)的時間和下降響應(yīng)的時間均為10–2～10–3s，可見光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場合。光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時，阻值減小。2023/1/31232）光敏二極管１．結(jié)構(gòu)原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中,其PN結(jié)裝在管的頂部,可以直接受到光照射。

光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài),在沒有光照射時,反向電阻很大,反向電流很小。

當(dāng)光照射在PN結(jié)上時,光子打在PN結(jié)附近,使PN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)載流子的濃度增加，在外加反向的電壓和內(nèi)電場的作用下作定向運(yùn)動,形成光電流。光的照度越大,光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時,處于截止?fàn)顟B(tài),受光照射時,處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖8-9光敏二極管的工作原理光敏二極管的反向偏置接法

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)上時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。2023/1/3127光敏二極管的光譜特性

硅光敏二極管的光譜響應(yīng)波段為0.4~1.5μm范圍，鍺光敏二極管的光譜響應(yīng)波段為0.6~2.5μm范圍。一種光敏二極管只對一定波長的入射光敏感，這是選擇光敏二極管的重要依據(jù)之一。

圖8-10光敏二極管的光譜特性光敏二極管外形

2023/1/3129光敏二極管陣列包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。紅外發(fā)射、接收對管外形

2023/1/3131紅外發(fā)射管紅外接收管3）光敏三極管

光敏三極管有兩個PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。

多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

2023/1/3132光敏三極管外形

2023/1/3133光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

a)

內(nèi)部組成b)管芯結(jié)構(gòu)c）結(jié)構(gòu)簡化圖

1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡

5—發(fā)射極引腳6—N+襯底7—N型集電區(qū)8—SiO2保護(hù)圈9—集電結(jié)10—P型基區(qū)11—N型發(fā)射區(qū)12—發(fā)射結(jié)2023/1/3134

大多數(shù)光敏三極管的基極無引出線,當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時,集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時,就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對,光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，基極與發(fā)射極間的電壓升高，使大量電子由發(fā)射極經(jīng)過基區(qū)流向集電極，其中少量電子與基區(qū)空穴復(fù)合從而形成光生電流,相當(dāng)于三極管的基極電流，而大部分流向集電極形成集電極電流即光電流，因此光電流是光生電流的β倍,所以光敏三極管有放大作用。3.基于光生伏特效應(yīng)的光電元件

在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子—空穴對，光生電子—空穴對的的擴(kuò)散運(yùn)動使電子通過漂移運(yùn)動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。2023/1/3136光電池外形2023/1/3137光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形2023/1/3138其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用2023/1/3139柔光罩下面為圓形光電池光電池在動力方面的應(yīng)用2023/1/3140太陽能賽車太陽能電動機(jī)模型太陽能硅光電池板光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）2023/1/3141太陽能發(fā)電光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）2023/1/3142光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用8.2光電元件的基本應(yīng)用電路8.2.1光敏電阻的基本應(yīng)用電路2023/1/3143a）UＯ與光照變化趨勢相同的電路b）UＯ與光照變化趨勢相反的電路8.2.2光敏二極管的基本應(yīng)用電路

利用反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。

2023/1/31448.2.3光敏三極管的基本應(yīng)用電路（a）發(fā)射極輸出電路（b）集電極輸出電路圖8-16鍺光敏三極管的兩種基本應(yīng)用電路由表8-1可知，發(fā)射極輸出電路的輸出電壓變化與光照的變化趨勢相同，而集電極輸出電壓恰好相反。表8-1鍺光敏三極管發(fā)射極和集電極輸出電路狀態(tài)的比較電路形式無光照時強(qiáng)光照時三極管狀態(tài)ICUo三極管狀態(tài)ICUo發(fā)射極輸出電路截止00（低電平）飽和（UCC－0.３）/RLICRL（高電平）集電極輸出電路截止0UCC（高電平）飽和（UCC－0.３）/RLUCC－ICRL（低電平）

當(dāng)無光照時，V1截止，IΦ=0，則V2處于什么狀態(tài)？繼電器KA吸合還是釋放？如果將V1與Rb2位置上下對調(diào)，其結(jié)果如何？2023/1/3147光電元件的應(yīng)用1、光電耦合器光電元件的應(yīng)用2、光電開關(guān)光電元件的應(yīng)用3、光電續(xù)電器8.3.新型光電傳感器8.3.1色彩傳感器

在單晶硅晶片上做兩個PN結(jié)，如圖8-21（a）所示，其等效電路圖如圖8-21（b）所示，PNP的結(jié)構(gòu)可以看作是兩個光敏二極管及的反向連接。（a）結(jié)構(gòu)（b）等效電路

圖8-21色彩傳感器的結(jié)構(gòu)與等效電路色彩傳感器8.3.2紅外傳感器自然界的一切物體都會發(fā)出紅外線。紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見光，由于是可見光中紅色光以外的光線，因此被稱為紅外線(波長：0.76-1000um)。大氣窗口：波長在2-2.6um，3-5um,8-14um的紅外線非常容易穿透大氣，把它們稱為大氣窗口。圖8-24光譜特性圖熱釋電傳感器簡介

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(yīng)用。

2023/1/3155熱釋電傳感器的內(nèi)部電路2023/1/3156兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片場效應(yīng)管原理：熱釋電晶片檢測到外界的紅外線時，導(dǎo)致場效應(yīng)管導(dǎo)通產(chǎn)生信號，輸出信號反應(yīng)被測紅外線信號。熱釋電傳感器工作原理

熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動時，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。2023/1/3157菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡2023/1/3158熱釋電晶片

熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關(guān)、防盜報警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比如：在房間無人時會自動停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)；電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機(jī)的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應(yīng)用；攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動記錄動物或人的活動等等……8.3.3圖像傳感器圖像傳感器是利用光傳感器的光電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光信號圖像轉(zhuǎn)換為與之成比例關(guān)系的電信號圖像的一種功能器件。攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、彩信手機(jī)上廣泛使用的是固態(tài)圖像傳感器，分為CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。固態(tài)圖像傳感器是在單晶硅襯底上布設(shè)若干個光敏單元與移位寄存器，集成制造的功能化的光電轉(zhuǎn)換器件，其中光敏單元也稱為像素，我們常說的分辨率是指單位面積上的像素。1. CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器圖8-29CCD電荷耦合器件1. CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器工作原理圖8-29CCD電荷耦合器件當(dāng)入射光作用在P型襯底上時，載流子吸收吸收能量。由于在柵極上加上脈沖信號，電子被吸引到加了脈沖信號的柵極下方。根據(jù)柵極所加信號不同，電子被吸引到不同的柵極下方，由此完成信號的輸出。然后由儲存器存儲形成圖像。輸出電荷經(jīng)放大器放大變成一連串的模擬脈沖信號。每一個脈沖信號反應(yīng)一個光敏元件的受光情況，脈沖幅度反應(yīng)該光敏元件受光的強(qiáng)弱，脈沖順序反應(yīng)光敏元件的位置，即光點(diǎn)的位置，這就實(shí)現(xiàn)了光圖像轉(zhuǎn)化成電圖像。2.CMOS圖像傳感器1、當(dāng)柵極電壓為零時：無光照——CMOS管截止，iD=0有光照——CMOS管產(chǎn)生并存儲光電荷。2、加上柵極電壓，源級通過漏極電阻形成電流，由此反應(yīng)光信號的變化。圖8-32CMOS型光電放大器件圖8-33CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成1、一個光敏元件和一個MOSFET組成一個像素，光敏二極管受光照時，產(chǎn)生與入射光量成正比的電荷2、掃描電路實(shí)際上是移位寄存器，用于信號存儲。3.CCD和CMOS圖像傳感器的比較

CCD圖像傳感器具有成像效果好的特點(diǎn)，但是比較費(fèi)電，成本較高，因此常用于數(shù)碼相機(jī)；CMOS圖像傳感器具有省電、成本低的特點(diǎn)，但是成像效果較差，故常用于手機(jī)。根據(jù)被測物、光源、光電器件三者之間的關(guān)系，模擬式光電傳感器通常有四種測量方式：輻射式、吸收式、反射式、遮光式、8.4光電式傳感器的應(yīng)用8.4.1光源本身是被測物體的應(yīng)用實(shí)例光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光量投射到光電器件上，光電器件的輸出反映了光源的某些參數(shù)。典型應(yīng)用如非接觸式高溫測量、光照度計等。輻射式2023/1/3168光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計來測量。

光電池（外加柔光罩）1.紅外線輻射溫度計：

自然界的物體都會發(fā)出紅外線。

紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。2023/1/3169紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準(zhǔn)2023/1/3170紅外線輻射溫度計外形

紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量2023/1/3171紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量2023/1/3172

紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用2023/1/3173集成IC溫度測量2.熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應(yīng)用

熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。2023/1/3174熱釋電元件外形

菲涅爾透鏡外形2023/1/3175傳感器不加菲涅爾透鏡時，其檢測距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測距離可增加3倍以上。熱釋電套件2023/1/3176熱釋電報警器菲涅爾透鏡2023/1/3177設(shè)定按鈕高分貝喇叭熱釋電報警器（續(xù)）菲涅爾透鏡2023/1/3178熱釋電報警器（續(xù)）

吸頂式熱釋電報警器2023/1/3179熱釋電傳感器應(yīng)用

熱釋電傳感器用于自動亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜2023/1/3180熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍自動感應(yīng)燈

（參考施特朗公司資料）2023/1/3181光源發(fā)射的光量穿過被測物。一部分光量由被測物吸收，剩余的光量照射到光電器件上，被吸收的光量與被測物透明度有關(guān)，如圖(a)所示。典型應(yīng)用如透明度計、濁度計等。

吸收式8.4.2被測物體吸收光通量的應(yīng)用實(shí)例

光電式濁度計和含沙量測量2023/1/3183將裝有濁水的試管插入儀器中光電式濁度計工作原理1—恒流源2—半導(dǎo)體激光器3—半反半透鏡

4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池

7、10—電流/電壓轉(zhuǎn)換器8—標(biāo)準(zhǔn)水樣2023/1/3184參比通道

光源發(fā)射的光量照射到被測物上，被測物將部分