光电色敏传感器工作原.ppt

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1、1,第八章 光电式传感器,2,8.1 概 述,8.1.1 光的特性,光波是波长为10106nm的电磁波。其中可见光的波长范围在380780nm，紫外线的波长范围是10380nm，红外线的波长范围是780106nm。,3,光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（单位s-1）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。,4,8.2.2 光源（发光器件）,1.白炽光源,用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连

2、续的。发光范围：可见光、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。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。,5,2.气体放电光源,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。,6,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，可被用作单色光源。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

3、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为白炽灯1/2-1/3,7,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。,3.发光二极管（LEDLight Emitting Diode）,8,半导体中，由于空穴和电子的扩散，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，称为少数载流子注入。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

4、形式放出能量，因而有发光现象。,9,电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则,普朗克常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。,10,hc=19.810-26mWs=12.410-7meV可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于 h c/=1.8 eV,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。,11,通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体

5、，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550900nm间变化，它已经进入红外区。,12,与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：,LED材料,13,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，其光色越纯。,14,发光二极管的光谱特性,15,发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开

6、启，绿色约为2.2V。,16,图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。,17,4、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0.24m到远红外整个光频波段范围。,18,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。,19,（1）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石

7、激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。,20,特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。,21,（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。,22,（3）半导体激光器与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、

8、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。,23,（4）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。,24,25,8.2.1 外光电效应,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。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。,8.2 光电效应,26,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

9、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。,27,8.2.2 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。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,28,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。,29,势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hEg，使价带中的电

10、子跃迁到导带，而产生电子空穴对，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和光敏二极管、三极管。,P,N,30,侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。,当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的大，就出现了浓度梯度，因而载流子要扩散，形成电势差。,31,光电管及其基本特性,结构与工作原理,8.3外光电效应器件,32,主要性能,（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电

11、器件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 光电管,33,（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8-5 光电管的光照特性,34,（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8-5 光电管的光照特性,35,(3)光电管的光谱特性光谱特性是指相对灵敏度与入射光波长之间的关系，亦称光谱响应。为提高光电传感器的灵敏度，应根据光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件。,以GD-4型光电

12、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。,36,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。还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼不能胜任的工作，如夜视镜等。,37,国产光电管的技术参数,38,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。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

13、，因此存在加速电场。,8.3.2 光电倍增管及其基本特性,39,40,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,41,42,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50 100V。,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。,43,一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

14、灵敏度可达10A/lm不能受强光照射。,图8-7 光电倍增管的特性曲线,44,（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射线的照射后，光电倍增管就会有电流信号输出即本底脉冲。,4.光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似。,45,国产光电倍增管的技术参数,46,8.4 内光电效应器件,8.4.1 光敏电阻,1.光敏电阻的结构和工作原理,图8-8 光敏电阻的结构与电路连接,47,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：,48,光敏电阻具有很高的灵

15、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，若光电导体为本征半导体材料，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。,49,2.光敏电阻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。,50,（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

16、的光电转换器。,图8-9 光敏电阻的光照特性,51,（3）光谱特性,硫化镉的峰值在可见光区域，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8-10 光敏电阻的光谱特性,52,(4)伏安特性,所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。,在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,图8-11 光敏电阻的伏安特性,53,（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8-12 光敏电阻的频率特性,多数光敏电阻的时间常数都很大。,54,(6)温度特性,峰值随温度上升向波长短的方向移动。,图8-13 光敏电阻的光谱温度特性,55,初

17、制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，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,56,8.4.2 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。,57,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

18、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。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。,58,1.光电池的结构和工作原理,图8-14 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。,59,图8-15 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

19、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。,N,60,2.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8-16 光电池的光谱特性,61,(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8-17 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

20、越小越好。,62,(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8-18 光电池的频率特性,63,(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。短路电流随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温度补偿。,图8-19 光电池的温度特性,64,8.4.3 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。,65,66,67,I,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光

21、不照射时，光敏二极管处于截止状态。,68,69,2.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。,70,普通三极管,71,光敏三极管基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。,72,当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，产生电子、空穴对，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，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍。,基本工作线路：,73,3.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,74,(2)伏安特性,与一般晶体管在不同的

22、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。,75,(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。,76,(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。,77,(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。,78,8.5 新型光电传感器8.5.1 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。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。,79,

23、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8-28 PIN光电二极管,80,P区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小

24、了漂移时间，因而提高了响应速度。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。,81,82,2.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8-29 雪崩式二极管,83,当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，,84,8.5.2 色敏光电传感器,不同区域对不同波长分别

25、具有不同 灵敏度，浅结对紫外光灵敏度高。,85,根据光学性能，不同颜色的光在不同的介质中的穿透能力不同。利用不同介质对某一色光的吸收，用这种色光去投射液体管道，根据接收到的光强来判断管道中的液流介质。,86,8.5.3 光固态图象传感器,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）。由于它具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。,87,1CCD的结构和基本原理,CCD是一种

26、半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属-氧化物-半导体的电容式转移器。其中，“金属”为SiO2层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体SiO2。,88,二、光固态图象传感器 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19

27、70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。,1CCD的结构和基本原理,P型Si,耗尽区,电荷转移方向,1,2,3,输出栅,输入栅,输入二极管,输出二极管,SiO2,CCD的MOS结构,89,CCD是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图所示。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。当向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

28、少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中1极下），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。,90,2面型CCD图像传感器 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。目前存在三种典型结构形式，如图所示。图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。,91,92,93,94,95,光电传感器的应用,光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件

29、三部分组成，如图7.3.1所示。图中，1是光源发出的光信号，2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。,96,模拟式光电传感器,光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定函数关系，1)光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，a）这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。2)恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。b）所示。可用于测量透明度、混浊度。,

30、97,3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图c）所示。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如图7.3.2）所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。,c)被测量有反射能力d)被测量遮蔽光通量,98,透射式光电传感器及在烟尘浊度监测的应用,透射型BYD3M.TDT光电传感器使用示意图,吸收式烟尘浊度监测系统组成框图,99,光电式带材跑偏检测器 检测带型材料在

31、加工中偏离正确位置的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。原理如图所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束,投向透镜2,随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中,有部分光线受到被测带材的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少。,100,包装充填物高度检测 用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。如图所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等。,101,脉冲式光电传感器,在这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。,102,光电式数字转速表,