第六章光敏传感器

第6章光敏传感器传感器与检测技术主要内容光相关的基本概念外光电效应及器件光电导效应及器件光生伏特效应及器件光敏传感器的应用6.1概述什么是光敏传感器？光敏传感器是能将光信号转换为电信号的一种器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。光敏传感器的工作原理用光敏传感器测量非电量时，首先要将非电量的变化转换为光量的变化，然后通过光电器件的作用（利用光电效应），再将光量的变化转换为电量的变化，从而实现光敏传感器非电量电测的目的。6.1概述光敏传感器又称为光电式传感器，有时又被称为光电探测器光敏传感器可用于但不限于光信号检测，还可以用于温度、压力、速度、加速度、位移等多种物理量的测量光敏传感器常用于非接触测量6.1.1光谱光波：波长为10—1060μm的电磁波可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm，波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线，红外线：波长780—106μm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。6.1.1光谱图6‑2光谱分布图6.1.2光学传感器的相关计量单位发光强度发光强度是表征光源（物体）发光能力大小的物理量。光源在某一特定方向上单位立体角内（每球面度）辐射的光通量，称为光源在该方向上的发光强度（又称光通的空间密度）符号为I，单位为坎德拉（cd）。6.1.2光学传感器的相关计量单位光亮度光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比单位是坎德拉/平方米（cd/m²）以下是部分光源的亮度值：日光灯：（5—10）*10³；月光（满月）：2.5*10³；黑白电视机荧光屏：120左右；彩色电视机荧光屏：80左右。6.1.2光学传感器的相关计量单位光通量单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。符号F，单位为流明（lm）绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。为表明光强和光通量的关系，发光强度为1cd的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1lm。一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明6.1.2光学传感器的相关计量单位光照度单位为勒克斯(Lux)被光均匀照射的物体，距离该光源1米处，在1m²面积上得到的光通量是1lm时，它的照度是1lux。习称“烛光米”。黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3；阴天室内：5—50；阴天室外：50—500；晴天室内：100—1000；夏季中午太阳光下的照度：约为10*9次方；阅读书刊时所需的照度：50—60；家用摄像机标准照度：1400。6.1.3光源光敏传感器通常对光源有一定的选择性，一般需要与光源配套使用光敏传感器对光源的要求光源必须具有足够的照度光源应保证均匀、无遮挡或阴影光源的照射方式应符合传感器的测量要求光源的发热应尽可能小光源发出的光必须具有合适的光谱范围常用光源的类型热辐射光源、气体放电光源、发光二极管和激光器6.1.3光源电磁波谱图光电效应外光电效应在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象应用：光电管、光电倍增管等光电导效应在光线作用下能使物体电阻率改变的现象应用：光敏电阻阻挡层光电效应（光生伏特效应）在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象应用：光电池、光敏二极管、光敏晶体管等6.2.1外光电效应及器件外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应向外发射的电子叫做光电子基于外光电效应的器件光电管光电倍增管红限频率物体发射光电子的阈值频率6.2.1外光电效应及器件外光电效应检测装置及特性6.2.1外光电效应及器件光电发射二极管光电阴极：在适当波长光线照射时发射电子光电阳极：吸收光电子真空光电二极管结构示意6.2.1外光电效应及器件真空光电二极管的测量电路及I-V特性光电阴极发射的电子数量与光照的强度有关光电管的电极上需要加上适当的电压才能保证光电阴极逸出的电子完全被光电阳极吸收，从而在外电路中形成与光照有关的电流6.2.1外光电效应及器件充气光电二极管伏安特性6.2.1.3光电倍增管光电倍增管通常由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成入射光能在光电阴极激发电子倍增极在受到一定数量的电子轰击后能释放出更多的电子，称为“二次电子”阳极将这些电子收集起来形成电流

光电倍增管的性能参数灵敏度阳极灵敏度SA：指一定工作电压下阳极输出电流与照射到阴极面上光通量的比值阴极灵敏度SK：指光电阴极本身的积分灵敏度放大倍数（电流增益G）在一定工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流的比值称为该管的放大倍数或电流增益光电倍增管的性能参数暗电流当光电倍增管在全暗条件下时，阳极上也会收集到一定的电流，其输出电流的直流成分称为该管的暗电流光电特性指在一定的工作电压下，阳极电流随光通量变化的特性光电倍增管的性能参数6.2.2内光电效应（光电导）及器件内光电效应根据工作原理的不同可分为光电导效应和光生伏特效应，它多发生于半导体内部光电导效应当光照射在物体上时，会使物体的电阻率发生变化的现象叫做光电导效应光照射半导体时，材料吸收光子而产生电子－空穴对，使导电性能增加，电导率增加利用光电导效应制成的光电器件就是光敏电阻6.2.2内光电效应（光电导）及器件光电导效应图6‑18光电导效应示意式中γ、λ分别为入射光的频率和波长。6.2.2.2光敏电阻光敏电阻又叫光导管，为半导体材料制成的光电器件光敏电阻在无光照时，暗电阻很大，而在光照时，电阻急剧减小光敏电阻对光源波长有选择性在应用中，光敏电阻可以当作一个电阻元件使用，通常利用光敏电阻在有光和无光的情况下电阻值的锐变来实现特定电路的功能光敏电阻很少被用于模拟量的测量，而常用于开关量的测量6.2.2内光电效应（光电导）及器件内光电效应（光电导）器件-光敏电阻（a）原理图；（b）外形图；（c）图形符号图6‑19光敏电阻的原理结构光敏电阻的主要参数暗电阻光敏电阻在不受光照射时的电阻值此时流过光敏电阻的电流称为暗电流亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻值此时流过光敏电阻的电流称为亮电流光电流亮电流与暗电流之差称为光电流光敏电阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性光敏电阻的基本特性光谱特性光敏电阻的相对光灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，也叫光谱响应光敏电阻对不同光波长有不同的响应光敏电阻的基本特性温度特性温度会影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻等特性光敏电阻的基本特性光照特性在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系光敏电阻的光照特性呈非线性，不宜用作定量检测元件，一般常用作光电开关光敏电阻的基本特性频率特性光敏电阻的频率特性是指相对灵敏度与脉冲光的调制频率之间的关系特性光电导的驰豫现象光敏电阻的基本特性稳定性初制成的光敏电阻，由于其内部组织的不稳定性以及其他原因，光电特性是不稳定的。当受到光照和外接负载后，其灵敏度有明显下降在人为地加温、光照和加负载的情况下，经过一定时间的老化，光电性能逐渐趋向稳定后就基本不变了6.2.2内光电效应（光电导）及器件应用实例图6‑26自动照明灯电路自动照明灯6.2.2内光电效应（光电导）及器件图6‑27亮光报警电路亮光报警器6.2.2内光电效应（光电导）及器件图6‑28标识灯电路标识灯6.3光生伏特效应器件在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应光生伏特效应包括势垒效应（结光电效应）和侧向光电效应等势垒效应——接触半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势光电池、光敏二极管、光敏晶体管侧向光电效应——当半导体受光照不均匀时，载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应光电位置敏感器件（PSD）6.3.2光电池光电池的应用主要有两大类作为光伏器件使用，将太阳能转换为电能作为光电转换器件使用光电池应用实例太阳能电池电源系统6.4光敏二极管光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，此时的反向电流称为暗电流当PN结受到光照射时，PN结附近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子增加，因此通过PN结的反向电流也随着增加6.5光敏晶体管图6‑45NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路（a）结构简化模型；（b）基本电路光敏晶体管光敏晶体管能在把光信号转换为电信号的同时，又将信号电流加以放大当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，基极－集电极结就是反向偏压当光照在基－集结上，就会形成光电流输入到基极，由于基极电流增加，集电极电流是光生电流的β倍，实现放大光敏晶体管的基极一般不接引线，许多光敏晶体管只有集电极和发射极两端有引线6.5.1光敏晶体管和光敏二极管基本特性光谱特性光敏二极管和晶体管的相对灵敏度与入射光波长之间的关系6.5.1光敏晶体管和光敏二极管基本特性伏安特性图6‑47硅光敏管的伏安特性（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏晶体管6.5.1光敏晶体管和光敏二极管基本特性温度特性图6‑48光敏晶体管的温度特性6.5.2光电二极管应用实例光照度测量器图6‑41光照度测量电路(a)集电极输出电路(b)发射极输出电路6.5.2光电二极管应用实例心率测量仪图6‑42手指光反射测量心率示意图