第9章 光電式傳感器

第9章光電式傳感器

傳感器與自動檢測技術(shù)光電式傳感器概念光電式傳感器（或稱光敏傳感器）：利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓、電流、電阻等）的裝置。按工作原理分類光電效應傳感器紅外熱釋電探測器固體圖像傳感器光纖傳感器9.1光電式傳感器的基本形式由光路及電路兩大部分組成光路部分:實現(xiàn)被測信號對光量的控制和調(diào)制電路部分:完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換四種基本形式透射式反射式輻射式開關(guān)式9.2光電效應與光電器件光子是具有能量的粒子，每個光子的能量可表示為光電效應方程（表征逸出表面的電子具有的動能）光電器件光電器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N傳感器件。是構(gòu)成光電式傳感器的主要部件。光電器件工件的物理基礎(chǔ)：光電效應。光電效應分為：內(nèi)光電效應、外光電效應9.2.1外光電效應型光電器件當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。根據(jù)外光電效應做出的光電器件有:光電管和光電倍增管。1、光電管及其基本特性光電管的伏安特性光電管的光照特性光電管的光譜特性

（表征：光電陰極材料、入射光波長——光電管靈敏度）2、光電倍增管及其基本特性主要參數(shù)

倍增系數(shù)M光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度暗電流光電倍增管的光譜特性9.2.2內(nèi)光電效應型光電器件內(nèi)光電效應:是指在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象.這種效應可分為因光照引起半導體電阻率變化的光電導效應和因光照產(chǎn)生電動勢的光生伏特效應兩種.

內(nèi)光電效應分類光電導效應在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低的現(xiàn)象。如光敏電阻光生伏特效應在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池。（1）光敏電阻1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電陰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。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）急劇減小，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。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下。

光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)(a)光敏電阻結(jié)構(gòu)；(b)光敏電阻電極；(c)光敏電阻接線圖2.光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻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。亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。光電流亮電流與暗電流之差3、光敏電阻的基本特性伏安特性：在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系。圖9.9硫化鎘光敏電阻的伏安特性光照特性指光敏電阻的光電流I和光照強度之間的關(guān)系圖9.10光敏電阻的光照特性光譜特性光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系。即光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。圖9.11光敏電阻的光譜特性頻率特性光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示，對應著不同材料的頻率特性。圖9.12光敏電阻的頻率特性溫度特性光敏電阻和其它半導體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應、靈敏度和暗電阻。硫化鉛光敏電阻受溫度影響最大。圖9.13硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性（2）光電池光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。即電源。工作原理：基于“光生伏特效應”。光電池實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當光照射到PN結(jié)的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。光電池結(jié)構(gòu)、符號光電池種類

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(zhuǎn)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。光電池基本特性光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。硅光電池的光譜特性光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性硅光電池的光照特性頻率特性溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。

硅光電池的溫度特性

（3）光敏二極管和光敏三極管光敏二極管工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、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，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結(jié)上，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，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。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)。光敏晶體管

光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。

大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當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，當光照射在集電結(jié)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，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會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，所以光敏晶體管有放大作用。

NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)和基本電路

光敏管的基本特性光敏晶體管的光譜特性伏安特性光照特性頻率特性光敏二極管和三極管的主要差別(自學)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?？偨Y(jié)10.3CCD固體圖像傳感器電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,縮寫為CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導體（MOS）集成電路光電器件。它以電荷為信號，具有光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、轉(zhuǎn)移并讀出信號電荷的功能。1.CCD的工作原理（1）結(jié)構(gòu)

CCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導體）電容器。它以P型（或N型）半導體為襯底，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。將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。圖9.23

P型MOS光敏元

(2)電荷存儲原理構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器。與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS電容器中的半導體是P型硅，當在金屬電極上施加一個正電壓Ug時，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處來，從而在界面附近形成一個帶負電荷的耗盡區(qū)，也稱表面勢阱。對帶負電的電子來說，耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域。在一定的條件下，所加正電壓Ug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。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導體硅產(chǎn)生了電子-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)量與入射到該勢阱附近的光強成正比。（3）電荷轉(zhuǎn)移原理CCD器件基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS光敏元，這些光敏元使用同一半導體襯底；氧化層均勻、連續(xù)；相鄰金屬電極間隔極小。任何可移動的電荷都將力圖向表面勢大的位置移動。為了保證信號電荷按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在MOS光敏元陣列上所加的各路電壓脈沖要求嚴格滿足相位要求。三相CCD時鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系(a)三相時鐘脈沖波形；(b)電荷轉(zhuǎn)移過程（4）電荷注入方法電荷注入方法（a）背面光注入；（b）電注入（5）電荷的輸出圖9.27CCD輸出端結(jié)構(gòu)9.3.2CCD固體圖像傳感器的分類（自學）線陣型CCD圖像傳感器面陣型CCD圖像傳感器9.3.3CCD圖像傳感器的特性參數(shù)光電轉(zhuǎn)移效率

總轉(zhuǎn)移效率分辨率分辨率：是指攝像器件對物像中明暗細節(jié)的分辨能力，是圖像傳感器最重要的特性，主要取決于感光單元之間的距離，用調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTF來表征。當光強以正弦變化的圖像作用在傳感器上時，電信號幅度隨光像空間頻率的變化稱為調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTF。暗電流

暗電流起因于熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對，是缺陷產(chǎn)生的主要原因。光信號電荷的積累時間越長，其影響就越大。暗電流的產(chǎn)生不均勻，在圖像傳感器中出現(xiàn)固定圖形，暗電流限制了器件的靈敏度和動態(tài)范圍，暗電流大的地方，多數(shù)會出現(xiàn)暗電流尖峰。暗電流與溫度密切有關(guān)，溫度每降低10℃，暗電流約減小一半。對于每個器件，產(chǎn)生暗電流尖峰的缺陷總是出現(xiàn)在相同位置的單元上，利用信號處理，把出現(xiàn)暗電流尖峰的單元位置存貯在PROM(可編程只讀存貯器)中，單獨讀取相應單元的信號值，就能消除暗電流尖峰的影響。靈敏度及光譜響應

噪聲

CCD是低噪聲器件，但由于其他因素產(chǎn)生的噪聲會疊加到信號電荷上，使信號電荷的轉(zhuǎn)移受到干擾。噪聲的來源有轉(zhuǎn)移噪聲、散粒噪聲、電注入噪聲、信號輸入噪聲等。9.3.4CCD固體圖像傳感器的應用CCD固體圖像傳感器的應用主要在以下幾方面：計量檢測儀器：工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸、位置、表面缺陷的非接觸在線檢測、距離測定等。光學信息處理：光學文字識別、標記識別、圖形識別、傳真、攝像等。生產(chǎn)過程自動化：自動工作機械、自動售貨機、自動搬運機、監(jiān)視裝置等。軍事應用：導航、跟蹤、偵查(帶攝像機的無人駕駛飛機、衛(wèi)星偵查)。典型應用實例尺寸自動檢測

物體輪廓尺寸的檢測小尺寸物體投影大尺寸物體光學成像2、光學字符識別和圖像傳真3、射線成像檢測9.4光纖傳感器光纖傳感器的特點：極高的靈敏度和精度固有的安全性好抗電磁干擾高絕緣強度耐腐蝕集傳感與傳輸于一體能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等光纖傳感器受到世界各國的廣泛重視。光纖傳感器已用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、速度、加速度、電流、磁場、電壓、溫度等70多個物理量的測量在生產(chǎn)過程自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警等方面有廣泛的應用前景。1、光纖的結(jié)構(gòu)2、光纖的傳光原理圖8-34光纖的傳光原理3、光導纖維的主要參數(shù)數(shù)值孔徑NA

光纖模式光波在光纖中的傳播途徑和方式稱為光纖模式。對于不同入射角的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波間的干涉也是不同的，這就是傳播模式不同。一般總希望光纖信號的模式數(shù)量要少，以減小信號畸變的可能。單模光纖直徑較小，只能傳輸一種模式。其優(yōu)點是：信號畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高；缺點：纖芯較小，制造、連接、耦合較困難。多模光纖直徑較大，傳輸模式不只一種，其缺點是：性能較差。優(yōu)點：纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易。傳播損耗

光信號在光纖中的傳播不可避免地存在著損耗。光纖傳輸損耗主要有材料吸收損耗（因材料密度及濃度不均勻引起）、散射損耗（因光纖拉制時粗細不均勻引起）、光波導彎曲損耗（因光纖在使用中可能發(fā)生彎曲引起）。光纖傳感器工作原理由于外界因素（溫度、壓力、電場、磁場、振動等）對光纖的作用，會引起光波特征參量（振幅、相位、頻率、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，只要能測出這些參量隨外界因素的變化關(guān)系，就可以用它作為傳感元件來檢測對應物理量的變化光纖傳感器的組成由光源、光纖耦合器、光纖、光探測器等組成。光源一般要求光源的體積盡量小，以利于它與光纖耦合；光源發(fā)出的光波長應合適，以便減少光在光纖中傳輸?shù)膿p失；光源要有足夠亮度，以便提高傳感器的輸出信號。另外還要求光源穩(wěn)定性好、噪聲小、安裝方便和壽命長等。