《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第8章 光电式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第8章 光电式传感器（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章 光电式传感器,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）转变成为电信号的器件。最早的光电转换元件主要是利用光电效应原理制成的，有外光电效应的光电管、光电倍增管；内光电效应的光敏电阻、光导管；阻挡层光电效应的光电二极管、光电晶体管及光电池等。新发展的光电转换元件主要有电荷藕合传感器（CCD）、光纤传感器、光电编码器、计量光栅等，除具有直接测量光信号外，还可以间接测量温度、压力、加速度、速度及位移等多种物理量，具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和抗干扰能力强等优点，其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力。,分类 按工作原理可分为： 1
2、. 光电效应传感器 光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件称为光电效应传感器。 2. 红外热释电探测器 红外热释电探测器是对光谱中长波（红外）敏感的器件。主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。,8.1 光电式传感器的类别,3. 固体图像传感器 结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成的CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图
3、像传感器。 4. 光纤传感器 光纤传感器是唯一的有源光敏传感器。它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。,光电器件 光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件，是构成光电式传感器的主要部件，光电器件工作的物理基础是光电效应。光电器件响应快、结构简单、使用方便, 而且有较高的可靠性，因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用非常广泛。 光电效应是指在光照射下，物体中的电子吸收了入射光子的能量，发生电学效应的现象光电效应分为内光电效应、外光电效应和光生伏特效应。,1. 内光电效应 在光线作用下，
4、对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。即物体的导电性能发生变化的现象。如：光敏电阻。光敏电阻又称光导管，是用半导体材料制成的光电器件，为纯电阻元件。由于电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。其工作原理是基于光电导效应，无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电
5、阻值在几千欧以下。,光敏电阻的结构如图所示，管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。,光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光导电体严密封装在玻璃壳体中。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。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。不足是需要外部电
6、源，有电流时会发热。,2. 外光电效应 在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，在回路中形成光电流的现象。当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管,光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者结构相似。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。在真空玻璃管内装入两个电极光电阴极与光电阳
7、极。光电管的阴极受到适当的光线照射后发射电子，这些电子在电压作用下被阳极吸引，形成光电流。在外电路串入一适当阻值的电阻，则在该电阻的电压降或电路中电流的大小都与光强成函数关系，从而实现了光电转换。玻璃管内充入氩、氖等惰性气体。当光电子被阳极吸引时会对惰性气体进行轰击，从而产生更多的自由电子，提高了光电转换灵敏度。,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A，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。它由光阴极、光阳极和若干个倍增极组成。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。,在各倍增极上均加一定的电压，并且电位逐渐升高，即阴极电位最低，阳极最高。当有入射光照射时，前一
8、级倍增极反射的电子恰好轰击后一级倍增极，产生二次电子发射，如此不断倍增。光电倍增管的放大倍数可达几万到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。光电倍增管的灵敏度高，适合在微弱光下使用，但不能接受强光刺激，否则容易损坏。,3. 光生伏特效应 在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应，如光电池、光敏晶体管等就属于这类光电器件。光电池的种类很多，应用最广的是硅光电池和硒光电池等。,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。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
9、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，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,光电池的基本特性包括： (1)光谱特性 光电池对不同波长的光，其光电转换灵敏度是不同的，即光谱特性，如图12-6所示。硅光电池的光谱响应范围4001200nm，光谱响应峰值波长在800nm附近；硒光电池的光谱响应范围380750nm，光谱响应峰值波长在500nm附近。,(2)光照特性 光生电动势U与照度E之间的特性曲线，称为开路电压曲线。光电流I与照度E之间的特性曲线，称为短路电流曲线。由图12-7可见，短路电流在很大
10、范围内与光照呈线性关系，开路电压与光照度的关系是非线性的，当照度为2000lx时趋向饱和。,（a）硅光电池 （b）硒光电池,(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，,(4)温度特性 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标。因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,开路电压和短路电流随温度变化的关系,电荷
11、耦合器件（Charge Couple Device，缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件，功能是把光学信号变成视频信号输出。由于CCD不但具有体积小、重量轻、功耗小、电压低和抗烧毁等特点，而且具有分辨率高、动态范围大、灵敏度高、实时传输和自动扫描等优点。CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于自动控制和自动测量中。,8.2 CCD传感器,基本原理 1. 结构 CCD是由若干个电荷耦合单元组成的，其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。一个MOS电容器是一个光敏元件，可以感应一个象素点。如果测量中需要有1024256个象素点，就
12、需要同样多的光敏元件。它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元件或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件，如图,2. 电荷存储原理 构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压 Vg时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区
13、域。在一定的条件下，所加正电压Vg 越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。,3. 电荷转移原理 CCD的基本功能是存储与转移信息电荷。CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近（1520m）的MOS光敏元件，这些光敏元件使用同一半导体衬底，且MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。氧化层均匀、连续，相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保
14、证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元件阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。,在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。,依次下去，通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同的势阱，且右边产生更深势阱，左边形成阻挡电
15、势势阱，使信号电荷自左向右作定向移动，在时钟脉冲控制下从一端移位到另一端，直到输出。,4. 电荷注入方法 在电荷注入CCD中，有电压信号注入和光信号注入。CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。电注入的方法很多，通常采用电流注入和电压注入，如图 (b)所示。CCD通过输入结构，将信号电压或电流转换为信号电荷，注入势阱中，注入的电荷量 。CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入，如图12-13(a)所示。光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式，当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附
16、近的半导体体内产生电子-空穴对，其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中，形成信号电荷，并存储起来。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。,在电荷注入CCD中，有电压信号注入和光信号注入。CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。电注入的方法很多，通常采用电流注入和电压注入，如图 (b)所示。CCD通过输入结构，将信号电压或电流转换为信号电荷，注入势阱中，注入的电荷量 。,5. 电荷的输出 在CCD中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免。因此，选择适当的输出电路可以减小容性负载对时钟的影响。如图12-14所示，OG为输出栅，它是CCD末端衬底上制作的一个输出二极管，当其加上方向偏压时，移动到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载 RL
