第6章 光敏传感器.ppt

1、1,第6章 光敏传感器,2,光敏传感器构成：光源、光学通路、光电元件。 应用： 1、光量变化的非电量； 2、能转换成光量变化的其他非电量。 特点：非接触、响应快、性能可靠。,被测量 的变化,光信号 的变化,电信号 的变化,6.0 引 言,什么是光敏传感器？,3,光敏传感器的测量方法可归纳为四种形式。,4,6.1 概 述,6.1.1 光的特性,光波是波长为10106nm的电磁波。,1000,000 nm,10 nm,780 nm,380 nm,可见光,红外光,紫外光,性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,5,6.1.2 光源（发光器件）,1. 白炽光源,最为普通的是用钨丝通电

2、加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：320 nm2500 nm, 所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。,6,2. 气体放电光源,利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯。,它的光谱是不连续的，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。 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,7,构成：由半导体PN结构成。 特点：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

3、泛的应用。,3. 发光二极管（LED）,8,N,P,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+ +,_ _,原理：,当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。,9,可供制作发光二极管的材料见下表：,LED材料,10,发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小

4、，其光色越纯。,11,发光二极管的光谱特性,12,反向电压应在5V以下!,发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料的不同，开启（点燃）电压略有差异。红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。,砷磷化镓发光二极管的伏安曲线,13,4、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、高亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从0.15m到远红外整个光频波段范围。X-射线激光器。,14,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） 液体激光器（染料激光器）。 半导体激光器（如砷化镓激光器）,15

5、,6.2.1 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做外光电效应。,6.2 光电效应,两类：外光电效应和内光电效应。,16,1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的； 1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 ； 1905年，爱因斯坦提出了光子假设。,17,爱因斯坦光电效应方程：,1.光电子能否产生，取决于光子的能量是 否大于该物体的表面电子逸出功A。,2. 一定时，产生的光电流和光强成正比。,3.逸出的光电子具有动能。,基于外光电效应

6、的光电器件有光电管、光电倍增管。,18,6.2.2 内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。,1光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。,19,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,hEg,当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。,20,基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,21,结光电效应 光照射PN结时，若hEg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子

7、空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。,光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池、光敏二极管、三极管。,22,侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。,23,6.3.1光电管及其基本特性,结构与工作原理,6.3外光电效应器件,24,主要性能,（1）光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件

8、的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。,真空光电管 充气光电管,25,（2）光电管的光照特性 当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,图6-1 光电管的光照特性,1-氧铯阴极 2-锑铯阴极,26,(3) 光电管的光谱特性 一般光电阴极材料不同的光电管对应不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。 另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限c=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。,2

9、7,对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。 对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。,国产光电管的技术参数,28,由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成 阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为1214级。,使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。,6.3.2 光电倍增管及其基本特性,29,30,入射光,阴极K,第一倍增极,第二倍增极,第三倍增极,第四倍增极,阳极A,31,光电倍增管的电流放大倍数为,如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则in 因此阳极

10、电流为i in,M与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。,主要参数： 1.倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子数i的乘积。,32,一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。 一个光子在阳极上产 生的平均电子数叫光 电倍增管的总灵敏度.,(2) 光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度,最大灵敏度可达 10A/lm不能受强光照射。,图6-2 光电倍增管的特性曲线,33,（3）暗电流和本底电流 由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。 在其受人眼看不到的宇宙

11、射线的照射后，光电倍增管会有电流信号输出本底脉冲。,4.光电倍增管的光谱特性 与相同材料的光电管的相似。,34,6.4 内光电效应器件,6.4.1 光敏电阻,1. 光敏电阻的结构和工作原理,图10-8 光敏电阻的结构与电路连接,35,如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：,36,光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。,当光照射到光电导体上时，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。,37,2. 光敏电阻

12、的主要参数和基本特性,（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差为光电流。,38,（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,图10-9 光敏电阻的光照特性,39,（3）光谱特性,硫化镉的峰值在可见光(380-780)区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。,图6-3 光敏电阻的光谱特性,40,(4) 伏安特性,所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的

13、现象。,在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,图6-4 光敏电阻的伏安特性,41,（5） 频率特性,时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。,图6-5 光敏电阻的频率特性,多数光敏电阻的时间常数都很大。,42,(6) 温度特性,峰值随温度上升向波长短的方向移动。,图6-6 光敏电阻的光谱温度特性,43,初制成的光敏电阻，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。 光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。,（7）稳定性,4

14、4,6.4.2 光电池,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。,45,光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。,硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应

15、用。,46,1. 光电池的结构和工作原理,图6-7 光电池的结构图,硅光电池的结构如图。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。,47,图6-8 光电池的工作原理示意图,当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。,若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,48,2.基本特性,（）光谱特性,故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。,硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。,图6-9

16、 光电池的光谱特性,49,(2) 光照特性,不同光照射下有不同光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。,图6-10 光电池的光照特性,开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,50,(3) 频率特性,硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。,光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。,图6-11 光电池的频率特性,51,(4) 温度特性 主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。,开路电压随温度升高而下降的速度较快。 短路电流随温

17、度升高而缓慢增加。 因此作测量元件时应考虑进行温补。,图6-12 光电池的温度特性,52,6.4.3 光敏晶体管,1. 光敏二极管,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。,光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,53,54,I,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。,55,56,2. 光敏三极管,集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。,57,普通三极管,58,IC,基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。,光敏三极管,59,3. 光敏晶体管的主要特性,(1) 光谱特性,存在一个最佳灵敏度波长,60,(2) 伏安特

18、性,与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特 性一样。只需把光电流看作基极电流即可。,61,(3) 光照特性,故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做开关元件,近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。,62,(4) 温度特性,温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。,63,(5) 频率特性,减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。,64,6.5 新型光电传感器 6.5.1 高速光电二极管 1. PIN结光电二极管,P、N间加了层很厚的高电阻率 的本征半 导体I。P层做的很薄。 比

19、普通的光电二极管施加较高的反偏压。,65,入射光照射在P层上， 由于P层很薄，大量的 光被较厚的I层吸收， 激发较多的载流子形 成光电流；又PIN结 光电二极管比PN结光 电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当P型和N型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，N区的电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散。,图6-14 PIN光电二极管,66,PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。,67,2.雪崩式光电二极管（APD）,在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P +层，且在其上加上高反偏压。,图6-15 雪崩式二极管

20、,射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”(即光电流成倍地激增)的现象,因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管”。,注：,68,6.5.2 色敏光电传感器,不同区域对不同波长分别具有不同 灵敏度，浅结对紫外光灵敏度高。,69,6.5.3、光固态图象传感器 由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。,70,当

21、向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。,1CCD的结构和基本原理,71,如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,(a),1,2,3,t0,

22、t1,t2,t3,t,(b),t=t0,t=t1,t=t2,t=t3,0,电荷转移过程,72,2线型CCD图像传感器 由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存

23、器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出,从而读出电荷图形。,73,目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。,74,面型CCD图像传感器结构,3面型CCD图像传感器 由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。,75,76,4、光电耦合器 由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。,绝缘玻璃,发光二极管,透明绝缘体,光敏三极管,塑料,发光二极管,光敏三极管,透明树脂,1） 光电耦合器的结构

24、,采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。,(a)金属密封型,(b)塑料密封型,采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。,77,2. 光电耦合器的组合形式 光电耦合器的组合形式有多种。,(a),(b),(c),(d),光电耦合器的组合形式,该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。,该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。,该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。,该

25、形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。,78,6.6 光传感器的应用举例,79,光电开关结构与外形,80,例1：直射式光电转速传感器,81,它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上，光敏元件将其转为电信号输出。 通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得被测转速 n=f/N n转速； f脉冲频率； N圆盘孔数。,82,测速也可以采用反射式：只要用白纸画上黑道的圆纸贴在旋转体上即可。 其测量电路与透射式相同,83,2、光电池应用 光电池主要有两大类型的应用： 作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。 作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。 光电池应用举例如下：,84,1）太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如下图。,调节控