光电式传感器

第8章光电式传感器8.1光电效应及光电器件8.2光纤传感器8.3电荷耦合器件8.1光电效应及光电器件8.1.1光电效应1.光电效应的类型

根据爱因斯坦的光子假说:光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。每个光子具有一定能量，它的能量由下式确定，即E=hν(8一1)式中:h—普朗克常数，h=6.626x10-3J·s，;ν—光子频率。

光子以光速c传播，频率为ν，相邻两峰间的距离即为波长λ，它们之间的关系为λ=c/ν(8一2)

光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假说:一个光子的能量只能给一个电子，因此电子增加的能量为hν。电子获得能量后释放出来，参加导电。这种物体吸收光的能量后产生电效应的现象叫做光电效应。光电效应可以分为以下三种类型。1)外光电效应

在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面、向外发射的现象叫外光电效应。

物体中的电子吸收的入射光子能量若足以克服逸出功，电子就逸出物体表面，产生光电发射。2)光电导效应

在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。由于这里没有电子从物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，与外光电效应对照，有时也称为内光电效应。光电导效应是由于在光线的照射下，半导体中的原子受激发成为自由电子或空穴，它们参加导电使半导体的电导率增加了。与外光电效应一样，要产生光电导效应，一也要受到红限频率限制。利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。3)光生伏特效应

在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。光生伏特效应是由于在光线照射下，PN结附近被束缚的价电子吸收光子能量，受激发产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使P区带正电，N区带负电，于是在P区和N区之间产生电动势。利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。2.光电器件的基本特性

各种光电器件的基本特性包括以下几方面。1)光电流

光敏元件的两端加上一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。2)暗电流

光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。暗电流在电路设计中被认为是一种噪声电流。在高照度情况下，由于光电流与暗电流的比值大，还不会产生问题;但在低照度时，因光电流与暗电流的比值较小，如果电路各级间没有藕合电容隔断直流电流，则容易使线路产生误动作。因此，暗电流对测量微弱光强及精密测量的影响很大。在选择时，应选择暗电流小的光电器件。3)光照特性

当光敏元件加一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称为光照特性。4)光谱特性

当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，且人射光功率不变，光电流随人射光波长变化而变化的关系，称为光谱特性。

光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义。当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率一也高。在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。5)伏安特性

在一定照度下，光电流I与光敏元件两端的电压U的关系I=f(U)称为伏安特性。同晶体管的伏安特性一样，光敏元件的伏安特性可以用来确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路。6)频率特性

在相同的电压和相同幅值的光强度下，当人射光受不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度K随调制频率f变化的关系I=f1(f),k=f2(f)称为频率特性。7)温度特性

环境温度变化后，光敏元件的光学性质一也将随之改变，这种现象称为温度特性。温度升高时，电子热运动增强，引起光敏元件的光电流及光谱特性等变化。温度超过一定值时，光电器件的性质会有显著地改变。8.1.2外光电型光电器件1.光电管光电管是利用外光电效应制成的光电器件，其包括真空光电管和充气光电管。1)结构与工作原理2光电倍增管8.1.3光电导型光电器件1.光敏电阻光敏电阻是一种均质半导体光电器件，也称光导管。

1)工作原理和结构光敏电阻是利用光电导效应制成的。当没有光照时，光敏电阻的阻值(暗电阻)很大;当它受到一定波长范围的光照时，其阻值(亮电阻)急剧减小。因此，将光电阻接人电路中，就可使电路中的电流在光照前后有很大变化，根据电流变化量，就可知道光强的大小。

2)主要参数和基本特征(1)暗电流、亮电流、光电流(2)伏安特性(3)光照特性(4)光谱特性(5)响应时间和频率特性(6)温度特性8.1.4光伏型光电器件1.光敏二极管和光敏三极管1)工作原理和结构

光敏二极管的结构与一般的二极管相似，其PN结对光敏感。将其PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗日，以便使光线集中在PN结上。光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态，如图8一13所示。当无光照时，与一般二极管一样，电路中仅有很小的反向饱和漏电流，称暗电流，当有光照射时，PN结附近受光子轰击，产生电子一空穴对，使PN结内的载流子大大增加。在反向电压的作用下，反向饱和漏电流增大，称为光电流。光敏三极管的结构类似于光敏二极管，只不过内部有两个PN结。光敏三极管与一般三极管的不同之处是，它的发射极一边做得很大，以扩大光照面积，通常基极无引出线。光敏三极管的基本特性：(1)暗电流、亮电流、光电流(1)伏安特性(2)光谱特性(3)光照特性(4)频响特性(5)温度特性2.光电池

光电池一也称为硅太阳能电池，是一种直接将光能转换为电能的光电元件。它的种类很多，有硅、硒、氧化亚铜、硫化佗、硫化镐、砷化稼光电池等，其中硅光电池用得较多。1)工作原理2)基本特性8.1.5光电传感器的应用用光电器件作为敏感元件的光电传感器种类很多，用途广泛。按其接收状态可分为模拟式和数字式两种。

模拟式光电传感器能够把被测量转换成连续变化的光电流，光电器件产生的光电流为被测量的函数。它可以用来测量光的强度，以及物体的温度、透光能力、位移、表面状态等

数字式光电传感器是利用光电元件的输出仅有两种稳定状态(“导通”和“关断”)的特性制成的各种光电自动装置。在这类应用中，光电元件用作开关式光电转换元件。8.2光纤传感器8.2.1光纤的结构和传光原理1.光纤的结构光纤是光导纤维的简称，它的结构如图8-28所示。它是由折射率(n1)较大(光密介质)的纤芯和折射率(n2)较小(光疏介质)的包层组成的双层同心圆结构。这样的结构可以保证入射到光纤内的光波集中在纤芯内传播。其最外层为保护层，该层是为了增加机械强度。2.光纤的传光原理光纤工作的基础是光的全反射。由物理光学可知，当光线以各种不同角度入射到光纤面时，在端面发生折射进入光纤后，又入射到光密介质纤芯与光疏介质包层交界面，光线在该处有一部分透射到光疏介质，一部分反射回光密介质。但当光线在光纤端面中心的入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部被反射回光密介质，即光被全反射，此时的入射角θc称为临界角。只要θ<θc，光在纤芯和包层界面上经过若干次全反射，呈锯齿形状路线在芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出。由斯乃尔(Snell)定律可导出光线由折射率为n0的外界介质射入纤芯时，实现全反射的临界入射角为外界介质一般为空气，空气的n0=1，所以8.2.2光纤的性能1.数值孔径(NA)临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径，即数值孔径是光纤的一个重要性能参数，它表示光纤的集光能力，即在光纤端面，无论光源的发射功率有多大，只有2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这个范围，进入光纤的光线便会进入包层而散失。2.光纤模式光纤模式是指光波沿着光纤传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播的模式很多，对信息的传播是不利的，因为同一种光信号采取很多模式就会使这一部分光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号，从而导致合成信号的畸变，因此，希望光纤信号模式数量越少越好。纤芯直径很小((3一10μm)、只能传播一种模式的光纤称为单模光纤。这类光纤的传输性能好、信号畸变小、信息容量大、线性大、灵敏度高，但由于纤芯尺寸小，所以制造、连接和耦合都很困难。

纤芯直径较大(50~100μm)、传播模式较多的光纤称多模光纤。这类光纤的性能较差，输出波形有较大的畸变，但纤芯截面积大、容易制造、连接和耦合比较方便。

单模和多模光纤都是当前光纤通信技术上最常用的，一般统称为普通光纤。用于测试技术的光纤往往有特殊要求，称其为特殊光纤。3.色散

当光信号以光脉冲形式输入到光纤，经过光纤传输后脉冲变宽，这种现象称为色散。光的色散是由于光在介质中的速度以及介质的折射率与光的波长有关。光纤色散使传播的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽，所以在光纤通信中，它关系到通信信息的容量和品质。光纤的色散分为材料色散、波导色散和多模色散3种。对于多模光纤中的色散主要是由多模色散引起的，单模光纤的色散主要由材料色散引起。4.传输损耗

光信号在光纤中传播，随着传播距离的增长，能量逐渐损耗，信号逐渐减弱，不可能将光信号全部传输到目的地，因而这种传输损耗的大小是评定光纤优劣的重要指标。反映传输损耗大小用衰减率ξ来表示，其表达式为光纤的传输损耗原因有3个：一是材料的吸收，它将使传输的光能变成热能，造成光能的损失；二是弯曲损耗，这是由于光纤边界条件的变化，使光在光纤中无法进行全反射传输，弯曲半径越小，造成的损耗越大；第3个原因是光在光纤中传播产生散射，这是由光纤的材料及其不均匀性，或其几何尺寸的缺陷所引起的。8.2.3光纤传感器及应用按照光纤在传感器中的作用，通常可将光纤传感器分为两种类型：功能型(或称传感型)和非功能型(或称传光型、结构型)。功能型光纤传感器主要使用单模光纤。光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件。它是利用光纤本身的传输特性受被测物理量作用而发生变化，使光纤中波导光的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制这一特点。因此这一类光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等数种。功能型光纤传感器的特点是由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。尤其是对光的相位变化利用种种干涉技术进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度。这一类光纤传感器技术上难度较大，结构比较复杂，调整也比较困难。非功能型光纤传感器中，光纤不是敏感元件。它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料，机械式或光学式的敏感元件感受被测物理量的变化，使透射光或反射光强度随之发生变化。这种情况光纤只是作为光的传输回路，所以这种传感器也称为传输回路型光纤传感器。为了得到较大受光量和传输的光功率，非功能型光纤传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。非功能型光纤传感器的特点是结构简单、可靠，技术上容易实现，便于推广应用，但灵敏度一般比功能型光纤传感器低，测量精度也差些。1.功能型光纤传感器1）光相位调制型光纤传感器(1)光纤压力和温度传感器8.3电荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevices)图像传感器是一种大规模集成电路光电器件，又称为电荷藕合器件，简称CCD器件。CCD是在MOS集成电路技术基础上发展起来的一种新型半导体传感器。由于CCD具有光电信号转换、信息存储、转换(传输)、输出、处理以及电子快门等一系列功能，而且具有尺寸小、工作电压低(DC：7一12V)、寿命长、坚固耐冲击以及电子自扫描等优点，促进了各种视频装置的普及和微型化。日前的应用已遍及航天、遥感、工业、农业、天文、通讯等军用及民用领域。8.3.1CCD的基本结构和工作原理

1.基本结构2.电荷存储的原理所有电容器都能存储电荷，MOS光敏元也不例外，但其方式不同。现以其结构中的P型硅半导体为例。当在其金属电极(或称栅极)上加正偏压时(衬底接地)，正电压队超过MOS晶体管的开启电压，由此形成的电场穿过氧化物(SiOz)薄层，在Si一SiOz界面处的表面势能发生相应地变化，半导体内的电子吸引到界面处来，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称为表面势阱。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域如果此时有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子一空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与人射到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被电场排斥出耗尽区。图8–50（b）为已存储信号电荷一光生电子的示意图。在一定条件下，所加电压越大，耗尽区就越深。这时，Si表面吸收少数载流子的表面势(半导体表面对于衬底的电势差)也就越大，同时MOS光敏元所能容纳的少数载流子电荷量一也就越大。3.电荷转移将CCD与其他半导体器件相比较，它是以电荷为信号的，不像其他器件是以电流或电压为信号的，故掌握CCD工作原理的关键在于了解电荷怎样转移或传输。CCD的基本结构是彼此非常靠近的一系列MOS光敏元，这些光敏元用统一的半导体衬底制成，其上面的氧化层一也是均匀、连续的，在氧化层上排列互相绝缘且数目不等的金属电极。相邻电极之间仅隔极小的距离，以保证相邻势阱藕合及电荷转移。任何可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。8.3.2电荷的注入和输出

1.电荷的注入方法

CCD电荷的注人方法有电注入和光注入两种。图8-52(a)为背面光注入方法，图8-52(b)是用输人二极管进行电注入，该二极管是在输人栅衬底上扩散形成的。2.电荷的输出方法(1)利用二极管的输出结构。图8一53在阵列末端衬底上扩散形成输出二极管，当输出二极管加上反相偏压时，在结区内产生耗尽区。当信号电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，并通过输出栅转移到输出二极管耗尽区内时，信号电荷将作为二极管的少数载流子而形成反向电流。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻R.变为信号电压输出。8.3.3CCD图像传感器1.线型CCD图像传感器

线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器并列而构成的。光敏元和CCD移位寄存器之间有一个转移控制栅.转移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。光敏元由MOS电容器构成，受光照射产生电荷后进行电荷积累。各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接收的光照强度成正比，也与光积分的时间成正比。当转移控制栅开启时，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元。当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又立即开始下一行的光电荷积