第8章光電式傳感器

傳感器與檢測技術

朱啟兵zhuqib@163.com光電效應和光電器件電荷耦合器件、第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術

光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。

光電式傳感器特點：非接觸、響應快、使用范圍廣光電式傳感器的組成形式光電式傳感器四種基本形式透射式反射式輻射式開關式

光電式傳感器光源的要求：1.光源必須有足夠的照度2.光源必須保證均勻、無遮擋或陰影3.光源的照射方式應符合傳感器的測量要求4.光源的發(fā)熱量應盡可能小5.光源發(fā)出的光應該有合適的光譜范圍8.1光電效應和光電器件一、光源光波：波長為10—106nm的電磁波

光電式傳感器頻率/Hz10157.9×101410141.5×10153×1016遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外1010000波長(nm)20010010003003807803000fλ=3×108m/s常用的光源（發(fā)光器件）1、熱輻射光源將一些物體加熱后產生熱輻射來實現照明的。典型代表：白熾燈、鹵素燈等特點：

①輻射光譜是連續(xù)的發(fā)光范圍：可見光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。

②壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，光電式傳感器2、氣體放電燈定義：利用電流通過氣體產生發(fā)光現象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，它們經常用作光電檢測儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如：照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/2—1/3。光電式傳感器3、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導體PN結構成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。在半導體PN結中，P區(qū)的空穴由于擴散而移動到N區(qū)，N區(qū)的電子則擴散到P區(qū)，在PN結處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。當PN結上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復合，這種復合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現象。光電式傳感器NP++++++++++++++++----------------UiD++__

電子和空穴復合，所釋放的能量Eg等于PN結的禁帶寬度。所放出的光子能量用hν表示，h為普朗克常數，ν為光的頻率。則普朗克常數h=6.6×10-34J.s；光速c=3×108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.6×10-19J。

hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV?？梢姽獾牟ㄩLλ近似地認為在7×10-7m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應大于hc/λ=1.8eV

普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用。光電式傳感器發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵的曲線有兩根，這是因為其材質成分稍有差異而得到不同的峰值波長λp。除峰值波長λp決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（Δλ）決定光的色彩純度，Δλ越小，其光色越純。0.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs發(fā)光二極管的光譜特性λ/nm相對靈敏度光電式傳感器4、激光器激光是20世紀60年代出現的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。激光波長從0.24μm到遠紅外整個光頻波段范圍。激光器種類繁多，按工作物質分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。光電式傳感器工作原理—光電效應是指物體吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能量，從而產生的電效應。光電傳感器的工作原理基于光電效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類。1、外光電效應在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）光電式傳感器二、光電效應器件和特性光電式傳感器根據愛因斯坦假設，一個光子的能量只能給一個電子電子從物質表面逸出，光子能量必須大于物質表面的逸出功

A0逸出表面的電子具有動能

Ek：式中：m——電子質量；

v0——電子逸出時的初速度；

h——普朗克常數，h=6.26×10-34j·s；

v——光的頻率。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。光電式傳感器光電子逸出時的初始動能Ek與光的頻率有關

頻率高，則動能大逸出功因材料不同而異材料都有一個頻率限

入射光的頻率低于頻率限，不論光強多大，也不能激發(fā)出電子入射光的頻率高于頻率限，光線微弱也會有光電子發(fā)射

——該頻率限稱為“紅限頻率”光電式傳感器

基于外光電效應的光電發(fā)射型器件有：

光電管

光電倍增管光電管有：真空光電管

充氣光電管在一個真空的玻璃泡內裝有兩個電極：光電陰極

光電陽極光電式傳感器

光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料如：銫（Cs）光線照射到光敏材料上便有電子逸出逸出電子被具有正電位的陽極所吸引

在光電管內形成空間電子流在外電路中產生電流

若外電路串入電阻電阻上的電壓降或電路中的電流大小與光強成函數關系

——從而實現光電轉換

光電式傳感器

入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極

當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾μA，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進行放大。次陰極多的可達30級收集到的電子數是陰極發(fā)射電子數的105~106倍。即光電倍增管的放大倍數可達幾萬倍到幾百萬倍。光電式傳感器當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多發(fā)生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：（1）光電導效應在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻,光敏二極管，光敏三極管2、內光電效應光電式傳感器過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。不存在電子所占能帶導帶價帶禁帶自由電子所占能帶價電子所占能帶Eg材料的光導性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導體上，才能產生電子能級間的躍進，從而使光電導體的電導率增加。光電式傳感器光敏電阻是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。光敏電阻光電式傳感器光敏電阻的主要參數和基本特性1）暗電阻、亮電阻、光電流（反映靈敏度）暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流。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。光電流：亮電流與暗電流之差。

光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。光電式傳感器2）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關。012345I/mAL/lx10002000光電式傳感器3）光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240λ/μm312相對靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛光電式傳感器4）伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。5010015020012U/V02040在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。I/μA光電式傳感器5）頻率特性當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏，電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數光敏電阻的時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應的場合。20406080100I/%f/Hz010102103104硫化鉛硫化鎘光電式傳感器6）溫度特性其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。硫化鎘的光電流I和溫度T的關系如圖所示。有時為了提高靈敏度，或為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I/μA100150200-50-10305010-30T/oC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC光敏二極管和光敏三級管

光電式傳感器光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)?；窘Y構是一個PN結在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。受光照射時，PN結附近受光子轟擊，吸收其能量而產生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作用下，P區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應用。光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀態(tài)。光敏二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光敏二極管等許多種。光敏二極管接線

PN光光敏二極管符號RL

光PN光電式傳感器光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結構與一般三極管很相似，（1）基極不接引線。（2）當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結的基區(qū)時,會產生電子-空穴對,在內電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。

PPNNNPeb

bcRLEec光電式傳感器光敏二級管和三級管的主要特性：存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結，因而使相對靈敏度下降。1）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。光電式傳感器2）伏安特性光電式傳感器3）光照特性光電式傳感器光敏二級管的線性度好暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC2505010002003004001020304050607080T/oC光敏三級管的溫度特性4）溫度特性

光電式傳感器溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大．5）光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調制頻率/HZ相對靈敏度/%光敏三級管的頻率特性光電式傳感器光電式傳感器光敏二極管和三極管的主要差別光電流光敏二極管一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過1uA。響應時間光敏二極管的響應時間在100ns以下，而光敏三極管為5～10us。因此，當工作頻率較高時，應選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時，才選用光敏三極管。輸出特性光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。光電式傳感器（2）光生伏特效應在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姵亍９怆娛絺鞲衅髟贜型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產生一對光生電子—空穴對，光生電子—空穴對的的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經短暫的時間，PN結兩側就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。

光電式傳感器光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光電池符號和基本工作電路光電式傳感器光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等最受人們重視的是硅光電池。因為它具有性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高、能耐高溫輻射、價格便宜、壽命長等特點。它不僅廣泛應用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船作為太陽能電池，而且也廣泛應用于自動檢測和其它測試系統(tǒng)中硒光電池由于其光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以在很多分析儀器、測量儀表中也常常用到。光電式傳感器光電池外形光敏面光電式傳感器(a)硅光電池1）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為2000lx時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線L/klx

L/klx

54320.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.4

012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流光電式傳感器短路電流，指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內阻也不同，因而應選取適當的外接負載近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關系越好，且線性范圍越寬。024680.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0光電式傳感器204060801001.01.20.2I/%12λ/μm2)光譜特性1——硒光電池2——硅光電池第4章

光電式傳感器3)頻率特性光電池作為測量、計數、接收元件時常用調制光輸入。光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系。由于光電池PN結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池第4章

光電式傳感器4）溫度特性

2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線光電式傳感器光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器工作原理：

首先將被測量的變化轉換成光信號變化然后通過光電轉換元件變換成電信號可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如：

光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等也可用于檢驗能轉換成光量變化的其他非電量，如：

零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度、物體形狀、工作狀態(tài)識別等

光電式傳感器的應用光電式傳感器光電測量方法靈活多樣，可測參數眾多優(yōu)點：

非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應快光電傳感器按接收狀態(tài)可分為：

模擬式光電傳感器脈沖式光電傳感器

光電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器8.2電荷耦合器件電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器組成的陣列，它是在MOS集成電路基礎上發(fā)展起來的，能進行圖像信息光電轉換、存儲、延時和按順序傳送等功能。光電式傳感器CCD的基本單元：一個由金屬-氧化物-半導體組成的電容器（簡稱MOS結構）。CCD線陣：由多個像素（一個MOS單元稱為一個像素）組成。1.CCD的基本單元結構光電式傳感器2.MOS電容器的電學特性（1）柵極未加電壓時——P型Si內的多數載流子（空穴）均勻分布光電式傳感器（2）柵極施加正電壓UG后——在半導體上表面附近形成一層多子的耗盡區(qū)（勢阱）（3）電壓UG超過閾值電壓Uth時——形成反型層（溝道）光電式傳感