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1、2023年3月20日,1,新型传感器技术,张认成华侨大学机电及自动化学院,硕士研究生系列课程,2023年3月20日,2,第一章 新型固态光电传感器,象限探测器光敏器件阵列自扫描光电二极管阵列光电位置传感器PSD电荷耦合器件CCD,以集成电路、半导体加工工艺 以及光电效应为基础的阵列传感器,2023年3月20日,3,本章内容提要,光电效应普通光敏器件阵列自扫描二极管阵列光电位置传感器PSD,2023年3月20日,4,1 光电效应,定义：物质由于光的作用而产生电流、电压，或电导率变化的现象分类：外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应,2023年3月20日,5,1.1 外光电效应,产生外光电效应
2、的条件：入射光的频率必须大于材料的红限,2023年3月20日,6,1.1.1 原理与结构,光照物质电子获能逸出表面光电流(光子)(光电子)光电流正比于光强度入射光的频率必须大于材料的红限光电传感器对光具有选择性光电材料:银氧铯锑铯镁化镉等举例:光电管光电倍增管,2023年3月20日,7,1.1.2 真空光电管,1.组成：光电阴极阳极A透明外壳2.结构与测量电路：,2023年3月20日,8,真空光电管的特点,线性度好;灵敏度低；测量弱光时，光电流很小，测量误差大。光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度 光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度,2023年3月20日,9,1.1.3 光电倍增管,组成：光电阴极K
3、阳极A倍增极外壳结构原理及测量电路,2023年3月20日,10,光电倍增管的特点,很高的放大倍数（可达106）；适应弱光测量；工作电压高,一般需冷却。例如：0.1流明（lm）光通量时，光电管产生光电流为5A;0.0001流明光通量时，光电倍增管的光电流为1000 A。相差1000200倍,2023年3月20日,11,1.2 内光电效应,光敏器件进行光电转换的物理基础光电导效应半导体材料在光的照射下，电导率发生变化的现象。光生伏特效应半导体材料在光的照射下，在一定方向产生电动势的现象。,2023年3月20日,12,1.2.1 光电导效应光敏电组,光照半导体材料电子空穴对激发分裂 导电粒子增加电导
4、率增加光电流光的选择性暗电阻:10100M亮电阻:10k用途:测光/光导开关材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅,2023年3月20日,13,光敏电阻的特性,2023年3月20日,14,光谱特性,硫化镉：可见光区域,=0.40.76m 峰值0.7m硫化铊：可见光及近红外区,=0.51.7m 峰值:1.21.3m硫化铅：可见光至中红外区,=0.53m 峰值2.5m 根据光谱范围选用！,2023年3月20日,15,1.2.2 光电导效应光敏晶体管,结构与普通晶体管相似，但P-N结具有光敏特性。二极管在电路中处于反向工作状态。,2023年3月20日,16,光敏二极管,无光照时：光电二极管反向截止，回路中只有
5、很小的反向饱和漏电流暗电流，一般为10-810-9A，相当于普通二极管反向截止；,2023年3月20日,17,续,有光照时：P-N结吸收光子能量，产生大量的电子/孔穴对，P区和N区的少数载流子浓度提高，在反向电压的作用下反向饱和电流显著增加，形成光电流。,2023年3月20日,18,性能与用途,光电流与光通量成线性关系，适应于光照检测方面的应用；光电二极管动态性能好，响应速度快（10s）；但灵敏度低，温度稳定性差。光电三极管可以克服这些缺点。,2023年3月20日,19,光敏三极管电路,集电结反向偏置基极无引出线,Ic,2023年3月20日,20,原理,无光照时有光照时Icbo反向饱和漏电流I
6、ceo光敏三极管暗电流Ic集电结反向饱和电流Ie光敏三极管光电流,2023年3月20日,21,应用“电眼睛”,光电编码器火灾报警器光电控制自动化产生条形码读出器机器安全设施等,2023年3月20日,22,光电晶体管特性光谱、伏安特性,2023年3月20日,23,光电晶体管特性温度、频率特性,温度的变化对光敏晶体管的亮电流和暗电流的影响十分显著。在低照度下工作时应选择锗管。,2023年3月20日,24,1.2.3 光生伏特效应光电池,物理基础光生伏特效应半导体材料在光的作用下产生电动势的现象类型硒光电池、硅光电池,2023年3月20日,25,硒光电池原理,无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止硒中
7、空穴的进一步扩散，动平衡；有光照时，硒中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡层，空穴留在硒中；电荷积累的结果：硒半导体成为正极，金属成为负极。连接极，产生连续的光电流,P-硒,N-金属,阻挡层,2023年3月20日,26,光谱特性光谱特性,硒光电池光谱响应范围：0.30.7m硅光电池光谱响应范围：0.51m,2023年3月20日,27,光谱特性光电、温度特性,短路工作状态,温度补偿！,2023年3月20日,28,1.3 普通光敏器件阵列,象限探测器光敏器件阵列,2023年3月20日,29,1.3.1 象限探测器,作用确定光点在平面上的位置坐标；用于准直、定位、跟踪等。结构利用光刻技术，将一整块圆形或
8、正方形光敏器件敏感面分割成若干区域；各个区域各面积相等、形状相同、位置对称；背面仍为一体。,2023年3月20日,30,划分形式：,2023年3月20日,31,原理光点投射到探测器上；各象限上光斑大小不同；光生电动势也不同：U2U1U3U4；可断定光心在第4象限；标定后，可知光心在X、Y方向的坐标。,3,2,4,1,U4,U3,U2,U1,X,Y,2023年3月20日,32,和差坐标换算,Y方向：X方向：,3,2,4,1,U4,U3,U2,U1,Y,2023年3月20日,33,和差测量电路,2023年3月20日,34,直差坐标换算器件旋转45,Y方向：X方向：,3,2,4,1,U4,U3,U2
9、,U1,Y,2023年3月20日,35,直差测量电路,2023年3月20日,36,象限探测器的特点,测量精度与光强无关，只与光心位置有关；存在死区，光斑很小时特明显，分辨率低；光斑落在一个象限时，失效，测量范围小。,2023年3月20日,37,1.3.2 光敏二极管阵列,一种低集成度的集成传感器多个光敏晶体管等间隔线性排列集成度一般为1032像素片；集成封装，独立引线；电路复杂，用多路开关简化电路。,2023年3月20日,38,多路开关输出,2023年3月20日,39,1.4 自扫描光电二极管阵列SSPD,普通光电二级管阵列数字位移寄存器输出电路简化集成度提高：64，128，256，51240
10、96线阵、面阵两种形式电荷储存工作方式工作原理复杂,2023年3月20日,40,1.4.1 像元结构,N型硅表面扩散P型硅材料，形成P-N结蒸涂SiO2（透明）覆盖铝膜，氧化层部分外露引出栅极、漏极、源极形成MOSFET场效应管,SiO2,2023年3月20日,41,等效电路,VD：理想光敏二极管Cd：结电容Ug：栅极控制电压1通；0短Uc：PN结反偏电压RL：负载电阻IL：负载电流VT：场效应管（开关）,开关,光敏二极管,2023年3月20日,42,1.4.2 工作过程,预充电放电(积分)充电(信号输出)放电充电.循环往复,负载上周期性的输出像元上的光信号.,2023年3月20日,43,预充
11、电,Ug=1,VT开VD反向截止电源Uc经RL给Cd充电UcCdVTRLP-N结上所充电荷QQ=CdUc充电结束,2023年3月20日,44,放电(积分),Ug=0,VT关断Cd经VD放电CdVDCd放电荷为QQ=(Ip+Id)Ts IpTsCd电压减小为UcdUcd=Uc-Q/Cd,暗电流IdIp亮电流,2023年3月20日,45,循环充电(信号输出),Ug=1，VT开VD反向截止Uc经CdVTRL充电,Cd电压由Ucd开始至UcCd上充电量为QRl上最大电压增量为Uomax=Q/Cd=Ip(Ts/Cd)Ip与光强成正比,IL Ip E,2023年3月20日,46,1.4.3 线阵SSPD,
12、结构感光阵列+多路开关+移位寄存器公共端相连(COM)各管性能相同多路开关多选一在时钟与脉冲的 作用下依此输出,2023年3月20日,47,移位输出_以4像素SSPD为例,预充电:S=1 1 1 1 循环输出,U0,2023年3月20日,48,2023年3月20日,49,1周期:S=0 1 1 1 VT1关闭,VD1放电其余截止无输出,U0X,S1=0111,S2=1011,S3=1101,S4=1110,2023年3月20日,50,2周期:S=1 0 1 1VT1通,VD1充电VD1输出至U0VT2关闭,VD2放电,U1,2023年3月20日,51,3周期:S=1 1 0 1VT2通,VD2
13、充电VD2输出至U0VT3关闭,VD3放电以此类推.n+1周期输出VDn充电时间时钟周期,U2,2023年3月20日,52,电流放大输出,+_,IL,U0,Rs,Rf,2023年3月20日,53,SSPD特点,光电线性：Q曝光量（ETs)；暗电流：室温下1pA随温升加大，1倍7随积分时间增大液氮致冷：积分时间可延至几小时，测微光信号动态范围：500:1 输出饱和信号与暗电流之比代替象限探测器,2023年3月20日,54,1.5 PSD光电位置传感器,Position Sensitive Detector 连续检测光点位置的光电元件,2023年3月20日,55,一、PSD的工作原理,基于内光电效
14、应。具有PIN三层结构的平板半导体硅片,图210 PSD结构示意图,2023年3月20日,56,光点位移与光电流的关系,图210 PSD结构示意图,2023年3月20日,57,PSD的特点,1）响应速度快，可靠性高。2）光点位置测量精度与光斑的形状 无关，只与光斑的能量中心有关，减小杂光日光的干扰；,2023年3月20日,58,PSD的特点,3）光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑的位置，分辨率高，一维PSD可达0.02m；4）可同时检测光点的位置和强度，PSD总输出电流反映光点的光强，两极电流之差反映光点的位置。,2023年3月20日,59,PSD的特点,5）PSD对光的波长具有选择
15、性。如图211是S1543的光谱特性图，这种器件的响应范围在3001100nm内，峰值波长在900nm左右的红外区。,图211S1543 PSD的光谱响应曲线,2023年3月20日,60,二、PSD结构及其转换电路,一维PSD,图210 PSD结构示意图,2023年3月20日,61,一维PSD转换电路,图213 一维PSD转换电路图,2023年3月20日,62,三、二维PSD结构及其转换电路,图212 二维PSD的结构,二维PSD,2023年3月20日,63,二维PSD转换电路,图214 二维PSD转换电路图,2023年3月20日,64,1.6 光电传感器的应用,2023年3月20日,65,一
16、、烟尘浊度检测仪,光源：400nm700nm光检测器范围：400600nm,图2-10 吸收式烟尘浊度检测仪框图,2023年3月20日,66,二、光电转速传感器,图2-11 光电转速测量,略去2例,2023年3月20日,67,光电脉冲转换电路,图2-12 光电脉冲转换电路,2023年3月20日,68,三、路灯自动控制,图2-13 路灯自动控制器,2023年3月20日,69,原理,当天亮时，硅光电池受光照射后，它产生0.20.5电动势，使BG1正偏压而截止，后面多级放大器不工作，BG4截止，继电器不动作，路灯回路触头断开，路灯不亮；当天黑无光照时，光电池无光生电动势，使BG1的基极为低电位，BG
17、1导通，经BG2、BG3、BG4构成多级直流放大，BG4导通使继电器动作，从而接通交流接触器，使常开触头闭合，路灯亮。调节R1可改变自动开关的灵敏度。,2023年3月20日,70,四、光断续器应用,图2-14 料位检测,透射式,2023年3月20日,71,反射式,2023年3月20日,72,产生线上的自动计数,2023年3月20日,73,五、光控自动水龙头,图217 光控水龙头电路图,2023年3月20日,74,六、声控光敏延时开关,图218 声控光敏延时开关电路,2023年3月20日,75,思考题,1 光电效应有哪三种类型?对每一种效应,举出一种传感器,说明其转换原理.2 与普通象限探测器相比较,自扫描光电二极管阵列有哪些突出的优点?3 简述自扫描光电二极管阵列的结构和光电流信号的输出过程.4 PSD光电位置传感器与象限探测器相比有何优越性?简述线阵PSD的工作原理.,2023年3月20日,76,综合题目,设计一个料位控制系统,功能能要求：当料位低于A点时自动加料;当料位高于B点时停止加料;当料位在A、B之间时，保持状态不变。设计内容选择传感器；确定光电传感器安装位置，设计加料电动机控制电路,A,B,2023年3月20日,77,谢谢！,
