第8章光电式传感器

传感器与检测技术

朱启兵zhuqib@163.com光电效应和光电器件电荷耦合器件、第8章光电式传感器传感器与检测技术

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器特点：非接触、响应快、使用范围广光电式传感器的组成形式光电式传感器四种基本形式透射式反射式辐射式开关式

光电式传感器光源的要求：1.光源必须有足够的照度2.光源必须保证均匀、无遮挡或阴影3.光源的照射方式应符合传感器的测量要求4.光源的发热量应尽可能小5.光源发出的光应该有合适的光谱范围8.1光电效应和光电器件一、光源光波：波长为10—106nm的电磁波

光电式传感器频率/Hz10157.9×101410141.5×10153×1016远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外1010000波长(nm)20010010003003807803000fλ=3×108m/s常用的光源（发光器件）1、热辐射光源将一些物体加热后产生热辐射来实现照明的。典型代表：白炽灯、卤素灯等特点：

①辐射光谱是连续的发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。

②寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，光电式传感器2、气体放电灯定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如：照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。光电式传感器3、发光二极管LED（LightEmittingDiode）由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。光电式传感器NP++++++++++++++++----------------UiD++__

电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。则普朗克常数h=6.6×10-34J.s；光速c=3×108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.6×10-19J。

hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV。可见光的波长λ近似地认为在7×10-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于hc/λ=1.8eV

普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。光电式传感器发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长λp。除峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的宽度（Δλ）决定光的色彩纯度，Δλ越小，其光色越纯。0.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性λ/nm相对灵敏度光电式传感器4、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。光电式传感器工作原理—光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1、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。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）光电式传感器二、光电效应器件和特性光电式传感器根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只能给一个电子电子从物质表面逸出，光子能量必须大于物质表面的逸出功

A0逸出表面的电子具有动能

Ek：式中：m——电子质量；

v0——电子逸出时的初速度；

h——普朗克常数，h=6.26×10-34j·s；

v——光的频率。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2

，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。光电式传感器光电子逸出时的初始动能Ek与光的频率有关

频率高，则动能大逸出功因材料不同而异材料都有一个频率限

入射光的频率低于频率限，不论光强多大，也不能激发出电子入射光的频率高于频率限，光线微弱也会有光电子发射

——该频率限称为“红限频率”光电式传感器

基于外光电效应的光电发射型器件有：

光电管

光电倍增管光电管有：真空光电管

充气光电管在一个真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极

光电阳极光电式传感器

光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料如：铯（Cs）光线照射到光敏材料上便有电子逸出逸出电子被具有正电位的阳极所吸引

在光电管内形成空间电子流在外电路中产生电流

若外电路串入电阻电阻上的电压降或电路中的电流大小与光强成函数关系

——从而实现光电转换

光电式传感器

入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大。次阴极多的可达30级收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电式传感器当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：（1）光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻,光敏二极管，光敏三极管2、内光电效应光电式传感器过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。不存在电子所占能带导带价带禁带自由电子所占能带价电子所占能带Eg材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。光电式传感器光敏电阻是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。光敏电阻光电式传感器光敏电阻的主要参数和基本特性1）暗电阻、亮电阻、光电流（反映灵敏度）暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流。光电流：亮电流与暗电流之差。

光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。光电式传感器2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。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。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mAL/lx10002000光电式传感器3）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅光电式传感器4）伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。5010015020012U/V02040在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。I/μA光电式传感器5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。20406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉光电式传感器6）温度特性其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC光敏二极管和光敏三级管

光电式传感器光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。基本结构是一个PN结在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。光敏二极管有硅、砷化镓、锑化铟光敏二极管等许多种。光敏二极管接线

PN光光敏二极管符号RL

光PN光电式传感器光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，（1）基极不接引线。（2）当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的β倍。

PPNNNPeb

bcRLEec光电式传感器光敏二级管和三级管的主要特性：存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。1）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光λ/Å400080001200016000100806040200硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。光电式传感器2）伏安特性光电式传感器3）光照特性光电式传感器光敏二级管的线性度好暗电流/mA光电流/mA10203040506070T/ºC2505010002003004001020304050607080T/ºC光敏三级管的温度特性4）温度特性

光电式传感器温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大．5）光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏三级管的频率特性光电式传感器光电式传感器光敏二极管和三极管的主要差别光电流光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。响应时间光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5～10us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。输出特性光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。光电式传感器（2）光生伏特效应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。基于该效应的光电器件有光电池。光电式传感器在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。

光电式传感器光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路光电式传感器光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。光电式传感器光电池外形光敏面光电式传感器(a)硅光电池1）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线L/klx

L/klx

54320.40.5246810开路电压Uoc

/V0.4

012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(b)硒光电池开路电压短路电流短路电流光电式传感器短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。024680.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0光电式传感器204060801001.01.20.2I/%12λ/μm2)光谱特性1——硒光电池2——硅光电池第4章

光电式传感器3)频率特性光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光电池2——硅光电池第4章

光电式传感器4）温度特性

2004060904060UOC/mVT/ºCISCUOCISC

/μA600400200UOC——开路电压ISC——短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线光电式传感器光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器工作原理：

首先将被测量的变化转换成光信号变化然后通过光电转换元件变换成电信号可用于检测直接引起光量变化的非电量，如：

光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等也可用于检验能转换成光量变化的其他非电量，如：

零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度、物体形状、工作状态识别等

光电式传感器的应用光电式传感器光电测量方法灵活多样，可测参数众多优点：

非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快光电传感器按接收状态可分为：

模拟式光电传感器脉冲式光电传感器

光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器8.2电荷耦合器件电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列，它是在MOS集成电路基础上发展起来的，能进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送等功能。光电式传感器CCD的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称MOS结构）。CCD线阵：由多个像素（一个MOS单元称为一个像素）组成。1.CCD的基本单元结构光电式传感器2.MOS电容器的电学特性（1）栅极未加电压时——P型Si内的多数载流子（空穴）均匀分布光电式传感器（2）栅极施加正电压UG后——在半导体上表面附近形成一层多子的耗尽区（势阱）（3）电压UG超过阈值电压Uth时——形成反型层（沟道）光电式传感