第7章 光 敏 传 感 器ppt课件

1、第7章 光 敏 传 感 器 第7章 光 敏 传 感 器 7.1 7.1 光敏传感器的基本效应光敏传感器的基本效应7.2 7.2 光电导型传感器光电导型传感器 7.3 7.3 光敏二极管光敏二极管 7.4 7.4 光敏晶体管光敏晶体管 7.7 7.7 红外热释电式光敏器件红外热释电式光敏器件 第7章 光 敏 传 感 器 7.1 光敏传感器的基本效应光敏传感器的基本效应 电磁波的频谱范围，从射线到无线电波是很宽的，其中总称为光的频谱可以认为在波长为1010 +6 nm的范围内。图7.1列出了光的波长范围及相关单位。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.1 光的波长范围与单位换算 106101021

2、05102103104103104103104105102105106101106107远紫外区域紫外区域可见区域近红外区域红外区域远红外区域1041014101210161015101310610510310210103102101110102cmnmA波长频率/Hz波数/cm1能量/eV名称第7章 光 敏 传 感 器 7.1.1 外量子效应外量子效应入射光子被物质的表面吸收并向外部释放电子的一种物理入射光子被物质的表面吸收并向外部释放电子的一种物理现象。现象。第7章 光 敏 传 感 器 (1) 在足够高的加速电压作用下，只要用一定频率的光照射在物质表面如金属阴极），则产生正比于光强的光电流

3、； (2) 在能够产生光电流的入射频率中，存在着一个最低频率，该频率与金属阴极的种类有关； (3) 外量子效应的光电子最大能量与入射光强度无关，与入射光频率成正比关系，如图7.2所示。若光子能量E单位为eV， 波长单位为nm，h为普朗克常数，c为光速，为频率，则有 1240chhvEh=6.6260693(11)10（-34） Js (7.1) 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.2 光电子能量与光频的关系 1.6 0.800.81.66789101112光频 / 1014Hz光电子能量 / eV第7章 光 敏 传 感 器 7.1.2 内量子效应内量子效应 1 1 光电导效应光电导效应1) 1

4、) 光吸收光吸收当一定能量的入射光子照射到半导体表面时，半导体吸收当一定能量的入射光子照射到半导体表面时，半导体吸收入射光子的能量，通过本征激发产生电子空穴对，使半导体入射光子的能量，通过本征激发产生电子空穴对，使半导体电导率增大。这种由光照引起半导体电导率变化的现象称为光电导率增大。这种由光照引起半导体电导率变化的现象称为光电导效应。光电导效应是入射光子改变物质电导率的一种物理电导效应。光电导效应是入射光子改变物质电导率的一种物理现象，这种现象几乎在所有的半导体中都能观察到。现象，这种现象几乎在所有的半导体中都能观察到。 第7章 光 敏 传 感 器 2) 附加光电导无光照时，半导体的电导率0

5、为 0=q(n0n+p0p）（7.3） 式中：q电子电荷； n0、p0平衡载流子浓度； n , p分别为电子和空穴迁移率。 第7章 光 敏 传 感 器 光电导的相对值为 （7.6） 000)1 (pbnbn上式表明，要制成光电导高的光敏电阻，应该使n0和p0有较小的数值。因而，光敏电阻一般选用高阻半导体材料或在低温下使用。 第7章 光 敏 传 感 器 3) 光电导增益 不同的材料或同一种材料不同结构的光敏电阻，可以产生不同的光电导效果，通常用“光电导增益表示光电导效应的强弱。要提高光敏元件的光电导增益，必须选择寿命长、迁移率大的材料，而且应该尽量缩短两电极间的距离和提高外加电压。 第7章 光

6、敏 传 感 器 2. 光生伏特效应光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体如当用适当波长的光照射非均匀半导体如PN结时，由结时，由于自建场的作用，半导体内部产生光生电压；于自建场的作用，半导体内部产生光生电压； 如将如将PN结短路，结短路， 则会出现光生电流。这种由自建场引起的光电效应，称为光则会出现光生电流。这种由自建场引起的光电效应，称为光生伏特效应。它实际上是由于半导体与光子的相互作用而导生伏特效应。它实际上是由于半导体与光子的相互作用而导致产生的电子空穴对，在自建场作用下被分离、加速和收致产生的电子空穴对，在自建场作用下被分离、加速和收集，所以可以认为产生光生伏特效应的入射光临界波

7、长是由集，所以可以认为产生光生伏特效应的入射光临界波长是由半导体材料的禁带宽度半导体材料的禁带宽度Eg来决定的。来决定的。 图图7.4用能带图说明这种效应的原理。用能带图说明这种效应的原理。PN结的电压电流结的电压电流特性如图特性如图7.5中曲线中曲线a所示。所示。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.4 PN结的光电效应原理 P 型Eg迁移区域h导带N 型费密能级价带第7章 光 敏 传 感 器 图 7.5 PN结光电效应的电压电流特性 I(b)U开路光电势U0短路光电流I0饱和电流Is(a)第7章 光 敏 传 感 器 对于一个二极管来说，外加电压与电流Id的关系如下：1expadkTeUII

8、（7.12） 式中: Id无光照时的暗电流； Is反向饱和电流； k玻尔兹曼常数； T绝对温度。 第7章 光 敏 传 感 器 当存在稳定的光照时，产生的短路电流I0的表达式为 hcPeI0式中: 量子效率； P入射光功率； 满足临界波长条件的入射光波长； h普朗克常数； c光速。 第7章 光 敏 传 感 器 这个电流与式7.12所示的电流方向正好相反，所以流经外电路的电流是这两个电流之差， 即 1expkTeUIhcPeIs（7.14） 当I0时，即开路时的光生电动势U0为 hcIePekTUs01ln（7.15） 如果入射光比较弱，则有 hcIPkTUs0（7.16） 第7章 光 敏 传 感

9、 器 7.2光电导型传感器光电导型传感器 7.2.1 CdS硫化镉硫化镉 ）光敏电阻的结构）光敏电阻的结构单晶单晶CdS是是N型半导体，禁带宽度型半导体，禁带宽度Eg为为2.42eV。实用的。实用的CdS光敏电阻大多是多晶体材料。它采用纯的光敏电阻大多是多晶体材料。它采用纯的CdS粉料与适量粉料与适量的的CdCl2及及CuCl2混合后作成浆料，涂敷在陶瓷基体上进行高混合后作成浆料，涂敷在陶瓷基体上进行高温烧结，再将掩模置于烧结层上，在真空中淀积金属电极并使温烧结，再将掩模置于烧结层上，在真空中淀积金属电极并使之与引线连接，最后将元件主体用开有玻璃窗口的金属帽予以之与引线连接，最后将元件主体用开

10、有玻璃窗口的金属帽予以密封。密封。 图图7.6示出这种元件的结构及制作过程。示出这种元件的结构及制作过程。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.6 光敏电阻的制作过程与结构 (1)(2)(3)(4)(5)陶瓷基体CdS浆料的涂敷和烧结电极制作连接引线至金属管座焊接有玻璃窗的金属帽第7章 光 敏 传 感 器 7.2.2 CdS光敏电阻的光敏特性光敏电阻的光敏特性1. 光电灵敏度光电灵敏度为方便起见，为方便起见，CdS等光电导元件的灵敏度可以用给定电压等光电导元件的灵敏度可以用给定电压和给定照度下元件的输出电流值表示。但是，当在和给定照度下元件的输出电流值表示。但是，当在CdS等光电等光电导元件两

11、端加上一定的电压时，元件输出呈欧姆特性，故还可导元件两端加上一定的电压时，元件输出呈欧姆特性，故还可以用照度电阻特性来表示其灵敏度。图以用照度电阻特性来表示其灵敏度。图7.7是典型的高输出是典型的高输出式和高灵敏式的灵敏度特性曲线。由图式和高灵敏式的灵敏度特性曲线。由图7.7可知，高灵敏度式可知，高灵敏度式元件的暗电阻可达元件的暗电阻可达100 k以上，而受光照射后最低电阻值只以上，而受光照射后最低电阻值只有数百欧姆。有数百欧姆。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.7 元件典型灵敏度特性 10001001010.10.1110100100021照度 / 1x1高输出式元件; 2高灵敏度元件电

12、阻 / k第7章 光 敏 传 感 器 2. 光谱特性按照临界波长的概念，波长大于临界波长的光不产生光电效应。但实际上，由于禁带中的杂质或缺陷形成的能级也可以向能带提供受激跃迁的自由载流子，因而，对于大于临界波长的光波也呈现一定程度的光谱响应；另一方面，对小于临界波长的光波则具有更大的吸收系数。所以，当短波长的光照射在光敏电阻表面时，其能量几乎全被CdS表面吸收并产生浓度很高的自由载流子。但是浓度过高，这些非平衡载流子的复合速度也急剧加快。试验表明，局部高浓度载流子的复合会造成光敏电阻灵敏度的急剧下降。因而，光敏电阻呈现驼峰状光谱响应特性, 如图7.8所示，光谱相应的峰值波长处于0.67m附近。

13、 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.8 光敏电阻的光谱响应 1008060402000.40.60.8波长/m相对灵敏度第7章 光 敏 传 感 器 3. 3. 响应时间响应时间当光敏电阻受到脉冲光作用时，光电流需要经过一定时间才当光敏电阻受到脉冲光作用时，光电流需要经过一定时间才能达到最大值；光照停止后，光电流需要经过一段时间才能降为能达到最大值；光照停止后，光电流需要经过一段时间才能降为零零, ,这段时间统称为响应时间。通常，把光敏电阻受光照后，电这段时间统称为响应时间。通常，把光敏电阻受光照后，电导率上升到电导率变化量的导率上升到电导率变化量的6363所用的时间称为上升时间。同样，所用的

14、时间称为上升时间。同样，下降时间是光源断开后，下降时间是光源断开后， 电导率下降到电导率变化量的电导率下降到电导率变化量的3737所所用的时间。一般光敏电阻的响应时间在用的时间。一般光敏电阻的响应时间在10-210-210-6s10-6s数量级。数量级。 光敏电阻的响应时间除与材料种类有关外，还与照度、光敏电阻的响应时间除与材料种类有关外，还与照度、 负负载电阻以及环境温度有关，照度与响应时间的关系如图载电阻以及环境温度有关，照度与响应时间的关系如图7.97.9所示。所示。可以看出，照度越大，光敏电阻达到额定值所需时间越短。可以看出，照度越大，光敏电阻达到额定值所需时间越短。 第7章 光 敏

15、传 感 器 图 7.9 光强对响应时间的影响 100时间 / ms额定值 / %1.01010010005001001x10 1x1001x10 1x照射时遮光时第7章 光 敏 传 感 器 4. 温度特性半导体光敏电阻对温度比较敏感， 温度升高将导致暗电阻和灵敏度下降。 光敏电阻的温度特性可以用温度系数表示。温度系数是在某照度下温度每变化一度，电阻相对变化的百分比， 即 %100)(21212RTTRR（7.17） 式中：R1 ,R2为给定照度下，温度分别为T1和T2时的亮电阻。 要求温度系数越小越好。温度变化不仅影响灵敏度和暗电阻， 而且对光谱特性也有很大影响。随着温度升高，峰值波长向短波方

16、向移动， 如图7.10所示。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.10 硫化铅光敏电阻器光谱温度特性 100波长 /m灵敏度(相对值)1011021234590 K95 K290 K20 K第7章 光 敏 传 感 器 7.3光光 敏敏 二二 极极 管管 7.3.17.3.1硅光敏二极管的基本结构硅光敏二极管的基本结构 光敏二极管常用的半导体材料是硅。硅的光敏二极管常用的半导体材料是硅。硅的EgEg为为1.12eV1.12eV， 当入射光波长在当入射光波长在0.80.80.9m0.9m时，其量子效率达时，其量子效率达8080。光敏二。光敏二极管的结构与普通半导体二极管基本相同，都有一个极管的结构

17、与普通半导体二极管基本相同，都有一个PNPN结，结， 引出两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性能。引出两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性能。 光敏二极管在外形和结构方面有自己的特点。在外形方面，光敏二极管在外形和结构方面有自己的特点。在外形方面， 光敏二极管的管壳上有一个窗口，窗口上镶嵌着玻璃透镜，光敏二极管的管壳上有一个窗口，窗口上镶嵌着玻璃透镜， 以便光通过窗口照射在管芯上见图以便光通过窗口照射在管芯上见图7.117.11）。在管芯方面，）。在管芯方面， 光敏二极管的光敏二极管的PNPN结面积比较大，而电极面积则比较小，这样可结面积比较大，而电极面积则比较小，这样

18、可以增加受光面积。以增加受光面积。PNPN结的结深做得比较浅小于结的结深做得比较浅小于100nm100nm），以），以提高光电转换效率。为了提高器件性能的稳定性，硅光敏二极提高光电转换效率。为了提高器件性能的稳定性，硅光敏二极管都采用平面工艺制作，管芯表面生长一层钝化保护层。管都采用平面工艺制作，管芯表面生长一层钝化保护层。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.11 光电二极管的结构与管芯断面图(a) 构造； (b) 管芯断面入射光玻璃透镜管芯管壳陶瓷管座电极引线(a)(b)电极NPSiO2电极第7章 光 敏 传 感 器 7.3.2 7.3.2 光敏特性光敏特性1. 1. 光照特性光照特性光敏

19、二极管在反向偏压下的光生电流电压特性如图光敏二极管在反向偏压下的光生电流电压特性如图7.127.12所示。曲线与纵坐标的交点即为零偏压时的光生电流值。可以所示。曲线与纵坐标的交点即为零偏压时的光生电流值。可以看出，反偏压较低时，光电流随光的变化比较敏感。这是由于看出，反偏压较低时，光电流随光的变化比较敏感。这是由于反偏压加大了耗尽层的宽度和电流强度，反偏压加大了耗尽层的宽度和电流强度， 提高了光吸收效率提高了光吸收效率和对载流子的收集效率。随着偏压的增大，对光生载流子的收和对载流子的收集效率。随着偏压的增大，对光生载流子的收集达到极限，光生电流趋于饱和。此时，光生电流与所加电压集达到极限，光生

20、电流趋于饱和。此时，光生电流与所加电压几乎无关，仅取决于光照强度。图几乎无关，仅取决于光照强度。图7.137.13示出光敏二极管在小负示出光敏二极管在小负载情况下的光照特性。它表明光敏二极管的光电流与照度呈线载情况下的光照特性。它表明光敏二极管的光电流与照度呈线性关系。性关系。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.12 光敏二极管光生电流电压特性010203040反向电压 / V25020015010050500 1x1000 1x1500 1x2000 1x2500 1x光电流 / A第7章 光 敏 传 感 器 图 7.13 光敏二极管的光照特性2050151050100150200250照

21、度 / lx光电流 / A第7章 光 敏 传 感 器 2. 2. 光谱响应特性光谱响应特性光谱响应主要取决于材料的禁带宽度。此外还与器件结构、光谱响应主要取决于材料的禁带宽度。此外还与器件结构、 工艺条件及质量有关。图工艺条件及质量有关。图7.147.14示出典型的硅光敏二极管的光谱示出典型的硅光敏二极管的光谱响应曲线。从图中可以看出，在响应曲线。从图中可以看出，在4004001100 nm1100 nm的范围内，硅光的范围内，硅光敏二极管对不同波长的入射光的响应是不同的。最高响应灵敏敏二极管对不同波长的入射光的响应是不同的。最高响应灵敏度所对应的入射光波长称为峰值波长。硅光敏二极管的峰值波度

22、所对应的入射光波长称为峰值波长。硅光敏二极管的峰值波长约为长约为900nm900nm。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.14 硅光电二极管的光谱响应特性1000 / m相对光电流 / 806040200.40.81.2第7章 光 敏 传 感 器 不同波长的入射光在硅材料中被吸收的情况是不同的。波长短的光透入深度浅，易被表面层吸收，例如波长为400500 nm的光可在表面内零点几微米范围内被完全吸收；波长长的光， 例如波长为9001100nm的光则可以透入硅材料内几十微米。 但是光生载流子中，只有那些能扩散进入势垒区从而能够被收集的光生载流子才对光电流有贡献。如果大量的光生载流子在向势垒区扩

23、散的途中就被复合掉，那只会降低入射光的量子效率。所以，应使PN结尽量靠近硅片表面，以便能够充分地收集短波光子产生的光生载流子，提高器件的短波响应灵敏度。此外，选用高阻硅材料有利于扩展势垒区的宽度， 从而增加对长波光子的吸收。 第7章 光 敏 传 感 器 3. 3. 暗电流暗电流在无光照条件下，加有一定反偏压的光敏二极管的反向在无光照条件下，加有一定反偏压的光敏二极管的反向电流称为光敏二极管的暗电流，其值等于反向饱和电流、复电流称为光敏二极管的暗电流，其值等于反向饱和电流、复合电流、表面漏电流以及热电流之和。暗电流越小越好，合电流、表面漏电流以及热电流之和。暗电流越小越好， 这这是因为暗电流小，

24、则器件的性能稳定，噪声低，检测微弱信是因为暗电流小，则器件的性能稳定，噪声低，检测微弱信号能力强。通常，号能力强。通常，PNPN结型光敏二极管在结型光敏二极管在50 V50 V反向偏压下的暗反向偏压下的暗电流小于电流小于100 nA100 nA。 暗电流的大小与管芯的受光面积、所加偏压以及环境温暗电流的大小与管芯的受光面积、所加偏压以及环境温度有关。管芯受光面积大度有关。管芯受光面积大, ,所加偏压高所加偏压高, ,环境温度高环境温度高, , 都会使都会使暗电流增大。一般情况下，环境温度每升高暗电流增大。一般情况下，环境温度每升高30304040，暗电，暗电流可能增大流可能增大1010倍。倍。

25、 第7章 光 敏 传 感 器 4. 噪声及探测灵敏度噪声及探测灵敏度噪声是限制光敏二极管探测灵敏度的主要原因。除了噪声是限制光敏二极管探测灵敏度的主要原因。除了1/f噪噪声和外电路所引起的噪声外，光敏器件的主要噪声源如下：声和外电路所引起的噪声外，光敏器件的主要噪声源如下： (1) 光子噪声：光子噪声： 它是由背景光引起的统计起伏造成的；它是由背景光引起的统计起伏造成的； (2) 热噪声：热噪声： 由载流子无规则的热运动造成；由载流子无规则的热运动造成； (3) 粒散噪声：粒散噪声： 由越过势垒区的载流子数的统计起伏造成由越过势垒区的载流子数的统计起伏造成的，其中也包括在势垒区中产生的复合噪声

26、的，其中也包括在势垒区中产生的复合噪声GR噪声。）噪声。）第7章 光 敏 传 感 器 噪声决定了光敏二极管所能探测到的最小功率。通常采用等效噪声功率NEP表示光敏二极管的探测灵敏度。当照射到探测器上的入射光功率PD正好使它的输出电压等于它本身的噪声电压时，此功率称为等效噪声功率，或者可将其简单地定义为在负载上实现单位信噪比所需的入射光功率。等效噪声功率表示器件可探测的最低功率。等效噪声功率可用下式表示 NSAP/ENPD（7.18） 式中：S测量条件下的信号电压； N测量条件下的噪声电压； A探测器的面积； PD由黑体到达探测器的辐射功率密度。 第7章 光 敏 传 感 器 NEP与测试条件有关

27、。一般情况下必须指明测试条件， 如辐射源温度、调制频率和放大器的带宽等。 由NEP的定义可知，NEP小的器件比NEP大的器件更灵敏， 即能探测出更微弱的光信号，性能更优越。所以人们也采用一个称为“探测度D的参数来表征探测灵敏度。D定义为NEP的倒数， 即 NEP1D（7.19） 就是说， 探测度越大， 器件性能越好。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.15 硅光电二极管等效电路 ILUVDIVDCjRshIRsU0I0RL第7章 光 敏 传 感 器 5. 响应特性光敏二极管的响应特性是由PN结上积累的电荷通过电极传到外部电路的速度来表示的。光敏二极管的等效电路如图7.15所示。 可以看出，响

28、应速度与结电容Cj和负载电阻RL有关。一般地说，响应速度用输出信号从峰值的10上升到90所需的时间来表示， 其数值可以用下式计算， 即 )(2 . 2sLjrRRCt（7.20） 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.18 硅光电晶体三极管的结构和等效电路(a) 构造； (b) 等效电路Ico IcPDCcbCbeV1hFE发射极集电极Ic基极NPNIcoN集电极基极基极电极输入光发射极电极发射极保护膜(SiO2)(a)集电极电极(b)7.4 光光 敏敏 晶晶 体体 管管 第7章 光 敏 传 感 器 如把光敏晶体管接成如图7.19所示的达林顿接法，那么即使入射光非常弱，也可以获得很大的输出电流，

29、甚至不加放大环节就可直接驱动继电器工作。 由于光敏晶体管的结构相当于将产生光电流的部分与放大部分结合在一起， 所以也提高了抗噪声能力。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.19 达林顿接线式硅光电三极管的内部连接的等效电路 集电极发射极光第7章 光 敏 传 感 器 7.4.27.4.2光敏晶体管的特性光敏晶体管的特性光敏晶体管的电特性相似于那些小信号晶体三极管。光敏晶体管的电特性相似于那些小信号晶体三极管。 光子光子的作用就好像普通晶体管的基极电流。的作用就好像普通晶体管的基极电流。 1.1.光谱响应光谱响应光谱响应取决于材料的禁带宽度以及器件结构和制作工艺。光谱响应取决于材料的禁带宽度以及器

30、件结构和制作工艺。 典型的硅光敏晶体管的光谱响应如图典型的硅光敏晶体管的光谱响应如图7.207.20所示。图中表明，峰所示。图中表明，峰值波长处于值波长处于800800900 nm900 nm。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.20 硅光敏晶体管的光谱响应100400波长 / nm相对灵敏度 / %8060402006008001000第7章 光 敏 传 感 器 2.响应速度响应时间与结电容及负载电阻有关。为了提高灵敏度， 光敏晶体管的集电区和基区的面积比较大，其结果是结电容Ceb、Cbo、Coe均比小信号晶体管大些，这就对光敏晶体管的响应速度带来不利影响。特别是Ceb，由于eb结处于正向

31、偏置， 受到的影响最大。hFE可以作得较大，但是要牺牲一些响应速度。光敏晶体管的响应速度约为5 s，当负载电阻较大时， 响应速度会慢下来。 第7章 光 敏 传 感 器 3. 3. 温度特性温度特性晶体管的反向饱和电流晶体管的反向饱和电流IceoIceo随着温度的升高而迅速增大，随着温度的升高而迅速增大， 如图如图7.217.21所示。图中实线表示典型值，虚线表示极限值。当温所示。图中实线表示典型值，虚线表示极限值。当温度从度从2525升高到升高到100100时，时，IceoIceo增加三个数量级，而光电流只增加三个数量级，而光电流只为原来的为原来的1.61.6倍。由此可见，由于温度的升高，使光

32、敏晶体管倍。由此可见，由于温度的升高，使光敏晶体管产生较大的噪声电流。当光照较弱时，严重干扰了光敏晶体管产生较大的噪声电流。当光照较弱时，严重干扰了光敏晶体管的工作，降低了器件的灵敏度的工作，降低了器件的灵敏度, , 因此必须适当降低器件的工作因此必须适当降低器件的工作温度。温度。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.21 温度对反向电流与光电流的影响 104103102101100101102103050 100 150 200T / Iceo / A典型值极限值1.81.41.00.00.230 04080T / Ip / IPo(25)(a)(b)第7章 光 敏 传 感 器 7.7 红外

33、热释电式光敏器件红外热释电式光敏器件 7.7.1 热型红外光敏器件热型红外光敏器件以红外光作为测量媒介体，比起用可见光做媒介体具有以以红外光作为测量媒介体，比起用可见光做媒介体具有以下优点：下优点： （1） 红外光不受周围可见光的影响，红外光不受周围可见光的影响， 所以可在同样条件所以可在同样条件下昼夜测量；下昼夜测量； （2） 只要待测对象自身具有一定温度就会发射红外光，只要待测对象自身具有一定温度就会发射红外光， 因此不必另备光源；因此不必另备光源； （3） 大气对某特定波长范围的红外光吸收甚少大气之大气对某特定波长范围的红外光吸收甚少大气之窗），窗）， 所以适用于遥感技术。所以适用于遥感

34、技术。 第7章 光 敏 传 感 器 7.7.2热释电效应热释电效应Pyroelectricity effect提出较迟。以热释电效应为原理研制红外光敏器件也仅是近20年以来的事。 最初发现给电石、水晶或酒石酸钾钠罗谢耳盐等晶体加热，其晶体表面会产生自然极化而出现电荷， 把这种现象称为热释电效应。后来的深入研究发现强电介质钛酸钡BaTiO3的热释电效应尤为显著。图7.54是热释电效应产生的基本过程。 第7章 光 敏 传 感 器 在钛酸钡的上、下表面设置电极，并用红外线加热晶体黑化膜是为提高吸收红外光效率而设置的）。当吸热温度上升T时，晶体的原子排列将发生变化，并进而会发生自然极化Ps。但是，因整

35、个晶体力图保持自己的电中性，于是必然在其表面产生Q的电荷。 表征某材料热释电效应大小的参数称为热释电系数， 热释电系数表示为 TQTP或s第7章 光 敏 传 感 器 图 7.54 热释电效应示意图 PsPs4321T0红外光等热源1黑化膜；2、4电极；3强电介质第7章 光 敏 传 感 器 图 7.55 热释电系数的基本变化规律 自然极化 PsPs / TTTC温度Ps第7章 光 敏 传 感 器 7.7.3 热释电式红外光敏器件结构与原理热释电式红外光敏器件结构与原理热释电式红外光敏器件与热敏电阻相比，它无需加偏置电热释电式红外光敏器件与热敏电阻相比，它无需加偏置电流源。器件电阻值很高流源。器件

36、电阻值很高1012），在近乎直流的低频下仍能），在近乎直流的低频下仍能工作在电容性状态，故只要外部负载很小，器件可用于动态测工作在电容性状态，故只要外部负载很小，器件可用于动态测量，甚至可检测微弱红外信号电荷光的脉冲变化量。量，甚至可检测微弱红外信号电荷光的脉冲变化量。 热释电式器件的工作原理是基于热释电式器件的工作原理是基于(热释电效应热释电效应)，当强电介，当强电介质的温度变化质的温度变化t时，其表面会呈现时，其表面会呈现Ps的自然极化电荷。设元的自然极化电荷。设元件电容为件电容为C，则元件两端电压为，则元件两端电压为=Ps/C。 第7章 光 敏 传 感 器 应当特别注意的是，热释电效应所

37、产生的极化电荷不是永存的， 由于处于器件表面，如果就此搁置，必然会被空气中各种离子所复合而使器件仍呈电中性。所以，一般要在器件前方加装一个周期性遮断被测红外信号光的机械装置，以使器件接受红外光能而引起的温度作周期性变化，使得测量过程中始终存在比例于红外光强的极化电荷。 简单的热释电式红外光敏器件以及由它们组成的电路示于图7.56。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.56 热释电式红外光敏元件构造及其构成的电路(a) 树脂成型式； (b) 微透镜式； (c) 电路构成 4.5mm526175.8m m8.5mm3(a)17m m17mm587109(b)RgRs23DSE9(c)1 铝 基 板

38、 ； 2PZT 红 外 光 敏 材 料 ； 3FET ； 4 导 光 筒 ；5 聚 乙 烯 光 窗 ；6 树 脂 ；7 引 线 ； 8 带 有 FET 的 PZT 材 料 ；9 凹 透 镜 ； 10 树 脂 壳4第7章 光 敏 传 感 器 图7.57是不同材质光窗的器件灵敏度比较。在320 m波长范围内，聚乙烯为光窗的器件灵敏度虽有三处呈极值变化， 但这对于通用型元件影响不大。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.57 不同窗材元件灵敏度比较 第7章 光 敏 传 感 器 7.7.47.7.4热释电式红外光敏器件材料热释电式红外光敏器件材料根据热释电式红外光敏器件的原理，根据热释电式红外光敏器件

39、的原理， 热释电材料应满足热释电材料应满足以下要求：以下要求： (1(1） 对红外光有极强的吸收能力；对红外光有极强的吸收能力； (2(2） 对已接受的能量产生较大温升；对已接受的能量产生较大温升； (3(3） 由于温度变化而引起极化电荷量变化应当尽量大。由于温度变化而引起极化电荷量变化应当尽量大。 温度引起电荷变化的程度通常以温度引起电荷变化的程度通常以“热释电系数热释电系数Ps/TPs/T表示；表示； (4(4） 器件本身电容小，以使表面的极化电荷量变化所引器件本身电容小，以使表面的极化电荷量变化所引起的输出电压信号较大；起的输出电压信号较大； (5(5） 介电损失应尽量小，以减少器件误差

40、。介电损失应尽量小，以减少器件误差。 第7章 光 敏 传 感 器 表表7.4 7.4 热释电材料性能热释电材料性能 第7章 光 敏 传 感 器 7.7.5 热释电式红外光敏器件特性热释电式红外光敏器件特性热释电式红外光敏器件当然可以用灵敏度热释电式红外光敏器件当然可以用灵敏度R、检测度、检测度D、 噪声等效功率噪声等效功率NEP以及特定检测度以及特定检测度D等来评价。等来评价。 因为热释电式器件属于热型红外光敏器件，故应注意其响因为热释电式器件属于热型红外光敏器件，故应注意其响应速度。一般将器件输出信号达到输出峰值的应速度。一般将器件输出信号达到输出峰值的60的时间定义的时间定义为其响应时间。

41、为其响应时间。 此外，热释电式器件比较特殊的问题是其灵敏度此外，热释电式器件比较特殊的问题是其灵敏度R和特定和特定检测度检测度D与器件前方所置机械式遮光装置的遮光周期与器件前方所置机械式遮光装置的遮光周期f有关，有关， 如图如图7.58所示，灵敏度所示，灵敏度R与特定检测度与特定检测度D随遮光频率随遮光频率f增加而增加而降低，这就表明器件工作在电容状态。这一点与以上理论分析降低，这就表明器件工作在电容状态。这一点与以上理论分析是一致的。是一致的。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.58 灵敏度R和特定检测度D与遮光频率f的关系 1000100101.010100107108频率 f / Hz

42、R / (V / W)D*RD* / (cmHz W1)21第7章 光 敏 传 感 器 图 7.59 元件本身的温度特性(黑体炉温420 K，遮光频率f的关系遮光频率6 Hz) 151050 4004080120元件温度 / 输出 / m V第7章 光 敏 传 感 器 7.7.7 7.7.7 红外光敏器件的应用红外光敏器件的应用1 1热释电红外传感器在车辆计数系统中的应用热释电红外传感器在车辆计数系统中的应用 1 1） 信号探测信号探测信号探测采用热释电红外传感器。这种传感器既有主动式信号探测采用热释电红外传感器。这种传感器既有主动式检测静止或者移动极缓慢的人体及物体又有被动式检测检测静止或者

43、移动极缓慢的人体及物体又有被动式检测运动人体及物体）。根据车辆计数的要求，这里选用被动式热运动人体及物体）。根据车辆计数的要求，这里选用被动式热释电红外传感器释电红外传感器P2288P2288，其主要性能指标如下：，其主要性能指标如下： 第7章 光 敏 传 感 器 典型噪声值： 80mV窗口光频响应： 715m工作电压： 315V响应性： 6500V/W工作温度：-4060保存温度：-55125 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.64 热释电红外传感器的内部结构 P1P2RG123BG第7章 光 敏 传 感 器 2） 信号处理在设计中，采用新型热释电红外传感器探测外界信息， 并转换成微弱的电

44、信号输出，经运算放大器放大， 再经比较器和防误触发电路滤去干扰信号，最后所得信号驱动计数器计数。 图7.65是系统工作原理框图。 第7章 光 敏 传 感 器 图 7.65 工作原理框图 传感器放大器放大器双限比较器计数器译码显示器第7章 光 敏 传 感 器 (1) 放大器的设计：当车辆进入菲涅尔透镜的一个视场， 在热释电红外传感器上产生一个交变红外辐射信号，使传感器电路产生一个微弱的电压信号。电阻器R1和电容器C1是一个滤波电路，以减小传感器电源上的纹波电压，R2是一个匹配电阻器，使传感器有一个最佳的信号输出。信号经C2耦合到运算放大器A1，电阻R3、R5将放大器偏置于电源电压的一半，使放大器在单电源下可以放大交流信号，其增益取决于R6、R4的比值。 经A1放大后的信号经C5耦合,再由A2放大，A2的增益取决于R10与R7的比值。经两