第二章新型固態(tài)光電傳感器

第二章新型固態(tài)光電傳感器

§2.2普通光敏器件陣列§2.3自掃描光電二極管陣列(SSPD)§2.4光電位置傳感器(PSD)＊＊＊＊§2.1概述概述

利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)來接受和探測光信號為電信號的功能器件。什么是新型固態(tài)光電傳感器？★定義：光敏器件包括光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及線性光敏傳感器等。已從可見光波段，延伸到紅外光區(qū)和紫外光區(qū)。

★探測光源的波長：★應(yīng)用：1、檢測直接引起光強變化的非電量，如光強、輻射測溫2、檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如位移、速度紅外夜視鏡§2。1普通光敏器件陣列一、象限探測器------將整塊的光敏器件敏感面分隔成若干面，利用光電效應(yīng)來探測光信號。★原理：。。。有光敏電阻、光電二極管、硅光電池等?！锏湫偷墓饷羝骷?1)光敏電阻結(jié)構(gòu)、外形：

用來確定光點的坐標(biāo)測量、光點在二維平面上的位置坐標(biāo)，一般用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等方面。★應(yīng)用：同普通二極管⑴多數(shù)情況下，工作在反偏⑵不加電壓時，用作微型光電池或作為光電檢測pn（2）光電二極管的結(jié)構(gòu)：二、坐標(biāo)測量原理分析1、直差測量XYucuAuBuD4132÷÷3421直差電路uDucuA-uCuA+uB+uc+uD)(uAuBXYuB-uD二、坐標(biāo)測量原理分析2、和差測量XYucuBuD3124uA缺點1、需要分割，從而產(chǎn)生死區(qū)，尤其當(dāng)光班很小時，死區(qū)的影響更明顯；2、若被測光斑全部落入某個象限時，輸出的電信號無法表示光斑位置，因此它的測量范圍、控制范圍都不大；3、測量精度與光強變化及漂移密切相關(guān)，因此它的分辨率和精度受到限制。象限數(shù)

4光敏面直徑(mm)

14mmSPD-043A四象限光電探測器用途：0.4～1.1μm波長信號的優(yōu)良探測器，適用于光功率計、激光測距、測速、測角、光電探測、光電信息傳輸?shù)认到y(tǒng)特點：在低偏置電壓下可獲得較高的響應(yīng)度主要技術(shù)指標(biāo)：應(yīng)用舉例一種新型光電定向系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

用來確定光點的坐標(biāo)測量、光點在二維平面上的位置坐標(biāo)，一般用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等方面。1基本原理

光電定向是指用光電系統(tǒng)測定目標(biāo)的方向，這是光學(xué)雷達(dá)和光學(xué)制導(dǎo)的重要組成部分[1]，利用光電系統(tǒng)可以直接、間接測定目標(biāo)的方向，該系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、光電探測器，信號處理電路，A/D轉(zhuǎn)換器和單片機、計算機顯示器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。應(yīng)用舉例小資料2具體實現(xiàn)

2.1發(fā)射部分

光發(fā)射電路主要由光源驅(qū)動器、光源（主要是半導(dǎo)體光源，包括LED（發(fā)光二極管），LD（激光二極管）等）、光功率自動控制電路等部分組成，我們用NE555組成的脈沖發(fā)射電路來驅(qū)動650nm的激光器，為了使半導(dǎo)體激光器克服供電電源波動、器件老化等因素的影響，確保激光器輸出功率穩(wěn)定，還必須有自動功率控制電路。小資料2.2接收部分接收部分主要由四象限光電探測器組成，四象限光電探測器是把4個性能完全相同的光電二極管按照直角坐標(biāo)要求排列而成的光電探測器件，目標(biāo)光信號經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限光電探測器上成像，如圖2所示[2]，一般將四象限光電探測器置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面，當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時，4個象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同，比較4個光電信號的幅度大小可以知道目標(biāo)成像在哪個象限上（也就知道了目標(biāo)的方位）。小資料3）實現(xiàn)目標(biāo)的手動跟蹤和自動跟蹤。每個象限的光強伏值可以直接從單片機采集的數(shù)據(jù)讀取；目標(biāo)光源的運動軌跡可以固定光斑的半徑，而通過確定光心位置坐標(biāo)的改變來觀察光源的運動軌跡，而且直觀地把目標(biāo)光源的中心坐標(biāo)顯示出來，但要實現(xiàn)目標(biāo)的手動跟蹤和自動跟蹤，則要通過手動平移臺和電控平移臺來實現(xiàn)，目標(biāo)控制是希望通過在目標(biāo)控制界面下直接輸入目標(biāo)坐標(biāo)來直接定位探測器。在計算機中輸入目標(biāo)的坐標(biāo)，單片機接收上位機的指令，從而驅(qū)動步進(jìn)電機運動，把從計算機讀入的數(shù)值和從步進(jìn)電機讀取的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者在一個很小的誤差范圍內(nèi)時，步進(jìn)電機停止運動，而光斑也到了需要達(dá)到的位置，從而實現(xiàn)了目標(biāo)控制。

自動控制是指當(dāng)偏移目標(biāo)時，可以通過自動控制來實現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤，當(dāng)單片機檢測到從計算機讀入的坐標(biāo)和從電控平移臺讀取的坐標(biāo)不一致時，就會給步進(jìn)電機一個驅(qū)動指令，從而控制步進(jìn)電機運動，以實現(xiàn)目標(biāo)的自動控制。小資料三、光敏管陣列:-----是將N個光敏管（光電二極管或光電三極管）集成在一個硅片上，將各管的每一同極端連接在一起，另一端各自單獨引出。1、定義：

與分立光電二極管完全相同，只不過外型結(jié)構(gòu)不同而已。陣列的每一個光電管稱作象元，通常也稱它們?yōu)檫B續(xù)工作方式。2、工作原理及特性：

信號引出比較復(fù)雜，每一個象元信號的引出需要一個獨立的電路，有多少個象元就需要多少路信號放大和處理電路。3、外部電路MUXoutABCD第二節(jié)自掃描光電二極管陣列(SSPD)SSPD的內(nèi)部集成了數(shù)字移位寄存器等電路，以電荷存貯方式工作。

與普通光電管陣列相似，自掃描光電二極管(SSPD)也是將N個光電二極管集成在一個硅片上，但工作原理以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同。線陣的象元數(shù)有64、128、256、512、4096位等。分線陣、面陣以及其它形式的特殊列陣。簡介：--------SelfScanningPhotodiodeArraySDGn-Si一、電荷存貯工作原理Ip+IDCdDpAlSiO2電荷儲存原理定性分析充電（預(yù)充電）積分充電（信號輸出）電荷儲存原理定量分析（一）充電穩(wěn)定后，p-n結(jié)上的電壓接近Vc。Cd上的電荷為：

Q=Cd·Vc電荷儲存原理定量分析（二）Ts內(nèi)，交變照度E(t)產(chǎn)生的平均光生電流ＩｐCd上所釋放的電荷：Cd的電壓因放電而下降到Vcd：電荷儲存原理定量分析（三）Cd上補充的電荷等于曝光時釋放的電荷。充電電流在RL上的壓降等于光生電流在RL上的壓降，其最大值為：

VLmax=Vc-Vcd=Q/Cd。負(fù)載電阻RL上的電流：二、SSPD器件移位寄存器：T1～TN掃描控制(負(fù)脈沖)。

S：幀起始脈沖，：時鐘信號

感光部分：D1～DN排列（即“線陣”）多路開關(guān)：T1～TN，漏極連在一起，組成視頻輸出線（即Vo）。

采樣脈沖出現(xiàn)的瞬間(前后沿)，MOSFET形成微分狀尖脈沖，并串入視頻輸出信號，產(chǎn)生開關(guān)噪聲。輸出信號VO（T）T開關(guān)噪聲補償陣列產(chǎn)生相同的開關(guān)噪聲VN

。VN和視頻輸出Vs送差分放大。陣列補償電路：第一位光電二極管輸出開關(guān)噪聲信號，抵消了相鄰位的開關(guān)噪聲。鄰近位補償電路：三、光電特性入射光的輻照度和積分時間Ts的乘積。曝光量H：光照引起SSPD器件的二極管輸出電荷Q正比于曝光量。曝光量H/lx.sCd能存儲的電荷量有限，曝光量達(dá)到某一值Hmax后，輸出電荷達(dá)到最大值Qmax

，稱Qmax稱為飽和電荷。若允許的最小起始脈沖周期為Tsmin，那么飽和照度為：

Es=Hs/TsminHmax輸出電荷Q/pCQmax飽和曝光量Hmax結(jié)電容Cd的飽和電荷Qmax=Cd·Vc，因此，飽和曝光量為：可用于光信息處理；文字、圖像識別；；尺寸和位置的不接觸測量；表面缺陷檢測；機器視覺、光譜配量檢測。I2I0I1第三節(jié)光電位置傳感器(PSD)一、PSD的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：在同一硅片上制作的三層結(jié)構(gòu)：LPNI+②①③P層：既是光敏層，又是高摻雜的均勻的電阻層。I層：接近本征的高阻層。N層：高摻雜的均勻的電阻層。XA--------PositionSensitiveDevice二、PSD的工作原理原理：光照射在光敏層上，入射點產(chǎn)生與光能成比例的電荷，并形成光電流通過電阻層由電極輸出。p層的電阻是均勻的，由電極①和②輸出的電流I1

、I2分別與光點到各電極的距離(電阻值)成反比。I2I0I1LPNI+②①③XA電極③上的電流為總電流I0，則I0＝I1+I2。設(shè)光點離中心點的距離為xA，有：進(jìn)而有：I2I0I1LPNI+②①③XA二、PSD及其等效電路一維PSD感光面：大多是細(xì)長矩形條。 等效電路：并聯(lián)電阻Rsh，電流源Ip

，理想二極管D，定位電阻RD

，結(jié)電容Cj入射光點的坐標(biāo)位置：123二維PSD

電流分路少、靈敏度高，位置線性度和空間分辨率高。上表面形成電流Ix、Ix’，匯總后在下表面分解形成電流Iy、Iy’。上下表面都是均勻電阻層，并設(shè)電極。兩面分離型

電流：

特性：結(jié)構(gòu)：表面分離型結(jié)構(gòu)：上表面是均勻電阻層。電極在同一表面上。電流：光電流在上表面分解成：Ix、Ix’、Iy、Iy’，并作為位移信號輸出。特性：施加偏壓容易，暗電流小和響應(yīng)速度快。二維PSD

暗電流小、響應(yīng)快、邊緣位置誤差小，易于加反偏電壓。改進(jìn)表面分離型結(jié)構(gòu)：改進(jìn)了光敏面和電極。電流：同表面分離型特性：二維PSD3、PSD轉(zhuǎn)換電路3123、PSD轉(zhuǎn)換電路3124

1）對光斑形狀無嚴(yán)格要求，只與光的能量中心位置有關(guān)，這給測量帶來很多方便。2）光敏面上無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測量光斑位置，位置分辨率高，一維PSD可達(dá)0.2m；3）可同時檢測位置和光強：PSD器件輸出的總光電流與入射光強有關(guān)，而各信號電極輸出光電流之和等于總光電流，所以從總光電流可求得相應(yīng)的入射光強。