傳感技術(shù)8光電課件

8光電傳感器8.1光電器件

光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件，它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且有較高的可靠性，因此在自動檢測、計算機和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。

光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。在光線作用下，物體的電導(dǎo)性能改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻等就屬于這類光電器件。在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，即阻擋層光電效應(yīng)，如光電池、光敏晶體管等就屬于這類光電器件。在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。一、光敏電阻l．光敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，工作機理：光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受到光照射時會產(chǎn)生電子-空穴對，使其導(dǎo)電性能增強；光線越強，半導(dǎo)體的阻值越低。這種光照射后電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料（如：硅、鍺、硫化鎘、硫化鉛、銻化銦、硒化鎘等）制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大，故稱之為光電導(dǎo)器件或光電導(dǎo)探測器，用于測量一定波長的光強。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)如圖。它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。4）光譜特性：光敏電阻的相對光靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不相同的，反映了光敏電阻材料對光的波長選擇性。5）溫度特性：溫度升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，同時峰值向波長短的方向移動。

二、光敏二極管和光敏晶體管1.結(jié)構(gòu)原理

光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可以直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在無光照射時，反向電阻很大（高達(dá)4M

Ω），反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，少數(shù)載流子在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流線性增加。因此光敏二極管在不受光照射時，處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時，處于導(dǎo)通狀態(tài)，實現(xiàn)光——電轉(zhuǎn)換。2.基本特性1）光譜特性光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖所示。從曲線可以看出，硅的峰值波長約為0.9μm，鍺的峰值波長約為1.5μm，此時靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長增加或縮短時，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。2)伏安特性光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。3)溫度特性光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大，所以在電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。2.光電池的特性1）光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。圖為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，不同材料的光電池，光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不同的，硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近，硅光電他的光譜響應(yīng)波長范圍從0.4~01.2μm，而硒光電池只能在0.34~0.75μm。可見硅光電池可以在很寬的波長范圍內(nèi)得到應(yīng)用。2）光照特性光電池在不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。下圖為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線。從圖中看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度成線性關(guān)系，開路電壓（負(fù)載電阻RL無限大時）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lX時就趨于飽和了。因此把光電池作為測量元件時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，不能用作電壓源。3）頻率特性光電池的頻率特性反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。當(dāng)用光電池對交變光照進行測量、計數(shù)、接收，頻率特性不容忽視。4)溫度特性

光電池的溫度特性描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量器件應(yīng)用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。

真空光電管光電流的大小與照射在光電陰極上的光強成正比，并與光電陰極的材料有關(guān)。充氣光電管當(dāng)光電極被光照射而發(fā)射電子時，光電子在趨向陽極的途中撞擊惰性氣體的原子，使其電離，從而使陽極電流急速增加，提高了光電管的靈敏度。但充氣光電管的穩(wěn)定性、頻率特性比真空管差。五、光電倍增管i=iφσnUSC=iR=iφσnR

光電倍增管的優(yōu)點是放大倍數(shù)很高（106），線性好，頻率特性好；缺點是體積大，需數(shù)百伏至1KV的直流電壓供電。光電倍增管一般用于微弱光輸入、要求反映速度很快的場合。8.2CCD（ChargeCoupledevice）圖像傳感器

電荷耦合元件（CCD）是圖象傳感器最常用的核心部件，它是由陣列式排列在襯底上的MOS電容器組成，具有光生電荷、存儲和轉(zhuǎn)移電荷的功能，是七十年代發(fā)展起來的新型元件。結(jié)構(gòu)及工作原理

電荷耦合元件（CCD）是在P型（或N型）硅的襯底（作為襯底電極）上生長一層厚度約120nm的SiO2絕緣層，再在絕緣層上依一定次序沉積一系列間隙很小（小于0.3μm）的金屬（鋁）電極（稱為柵極）制成的。每個金屬電極和它下面的絕緣層及半導(dǎo)體硅襯底形成一個MOS電容器，所以CCD基本上是由一系列MOS電容器組成陣列，再加上輸入與輸出端構(gòu)成。由于MOS電容器之間靠得很近，因此相互間可以發(fā)生耦合，被注入的電荷可以有控制地從一個電容移到另一個電容，電荷轉(zhuǎn)移的過程，實際是電荷耦合的過程，故將其稱之為電荷藕合元件。MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖。

當(dāng)半導(dǎo)體表面存在勢阱時，如果有電子來到勢阱及其附近，它們便可以聚集在表面，來到勢阱中，使表面勢降低，耗盡層變薄。這個過程稱為電子填充勢阱。勢阱中能夠容納多少電子，取決于勢阱的“深淺”，即表面勢的大小，而表面勢的大小又隨所加?xùn)艍捍笮∽兓葳逍纬梢院?，耗盡區(qū)及附近區(qū)域在一定溫度下有熱激發(fā)產(chǎn)生的電子——空穴對中的電子進入勢阱。這種熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子稱為暗電流。而熱產(chǎn)生的多數(shù)載流子—空穴將通過襯底跑掉。如上所述，我們把在柵極加偏壓后在金屬電極下的半導(dǎo)體表面形成的耗盡層稱為勢阱。勢阱內(nèi)存儲少數(shù)載流子。對于P型硅襯底的CCD元件，柵極加正偏壓，少數(shù)載流子為電子；對于N型硅襯底的CCD元件，柵極加負(fù)偏壓，少數(shù)載流子為空穴。2.CCD的光生電荷功能

CCD的信號電荷有兩種產(chǎn)生方式：光信號注入和電信號注入。當(dāng)CCD用作光學(xué)圖象傳感器時，它接受的是光信號，故采用光信號注入。當(dāng)光照射到CCD的半導(dǎo)體表面時，能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子將激發(fā)光生電子—空穴對。在柵極電壓作用下，空穴被排斥進入襯底，而電子被收集在電極下的勢阱中，形成信號電荷存儲起來，存儲電荷的多少正比于入射的光強。3.CCD的電荷轉(zhuǎn)移功能

CCD元件是由大量的在同一襯底上集成的MOS電容器陣列，它除具有光生電荷，電荷存儲功能外，還有電荷轉(zhuǎn)移功能，且能把光生電荷及存儲同電荷轉(zhuǎn)移在時間上分割開，以較長時間（數(shù)十ms）進行感光積累電荷，以很短時間（數(shù)百μs）將電荷轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器，并在移位寄存器部分采取遮光措施（由不透光的鋁層覆蓋），使電荷轉(zhuǎn)移過程不照光，以防止轉(zhuǎn)移過程中因感光而引起圖象模糊。為了實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)移，首先要使MOS電容器陣列的排列足夠緊密（一般小于μm級），以使相鄰MOS電容器的勢阱相互溝通（耦合）。其次，為了使電荷按規(guī)定方向轉(zhuǎn)移，在MOS電容器陣列上要加滿足一定相位要求的驅(qū)動時鐘脈沖電壓，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)，每一單元稱為一位，形成一個象素，將每一位中對應(yīng)位置上的電容器柵極分別連到各自共同的電極上，該共同電極稱為相線。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)。最直接明了的是三相時鐘脈沖驅(qū)動結(jié)構(gòu)，如圖所示。4電荷輸出

N+區(qū)與P型硅形成PN結(jié)，通過施加反向偏置，形成電子電荷的深勢阱。轉(zhuǎn)移到φ2相電極下的電荷包越過輸出柵流入深勢阱。若dt時間內(nèi)流入的信號電荷為Qs，則二極管輸出電流ID為：ID=Qs/dtA點電位為：UA=UD-IDR

轉(zhuǎn)移到φ2極下電荷包的電子越多，流入反偏二極管深勢阱的電子電荷越多，則ID越大，A點的電位越低。經(jīng)放大器輸出反映光強的UA。

8.2光電傳感器的應(yīng)用1.火焰探測報警器

采用硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測報警器原理如圖所示。2.燃?xì)鉄崴髦忻}沖點火控制器由于煤氣是易燃、易爆氣體，所以對燃?xì)馄骶咧械狞c火控制器的要求是安全、穩(wěn)定、可靠，為此電路中有這樣一個功能，即打火針確認(rèn)產(chǎn)生火花，才可打開燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y門關(guān)閉，這樣就保證使用燃?xì)馄骶叩陌踩?。下圖為燃?xì)鉄崴髦械母邏捍蚧鸫_認(rèn)電路原理圖。在高壓打火時，火花電壓可達(dá)一萬多伏，這個脈沖高電壓對電路工作影響極大，為了使電路正常工作，采用光電耦合器VB進行電平隔離，大大增強了電路抗干擾能力。當(dāng)高壓打火針對打火確認(rèn)針放電時，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，耦合器中的光敏三極管導(dǎo)通，經(jīng)V1、V2、V3放大，驅(qū)動強吸電磁閥，將氣路打開，燃?xì)馀龅交鸹慈紵?。若打火針與確認(rèn)針之間不放電，則光電耦合器不工作，V1等不導(dǎo)通，燃?xì)忾y門關(guān)閉。作業(yè)：一、習(xí)題２、３、５、６二、判斷題：